INTRODUÇÃO AO SENSORIAMENTO REMOTO. Evlyn Márcia Leão de Moraes Novo Flávio Jorge Ponzoni

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1 INTRODUÇÃO AO SENSORIAMENTO REMOTO Evlyn Márcia Leão de Moraes Novo Flávio Jorge Ponzoni São José dos Campos 2001

2 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Um breve histórico sobre o Sensoriamento Remoto FUNDAMENTOS DE SENSORIAMENTO REMOTO Conceituação Conceitos radiométricos TIPOS DE DADOS DE SENSORIAMENTO REMOTO Plataformas de sensoriamento remoto Sistemas sensores: sistemas fotográficos O sistema visual humano Analogia entre o olho humano e a câmera fotográfica Visão das cores Sistemas fotográficos Obtenção de medidas a partir de fotografias aéreas Visão estereoscópica Interpretação de fotografias aéreas Sistemas sensores: imageadores eletro-ópticos Sistemas imageadores Tipos de imageadores Detetores Sistemas sensores: RADAR Conceitos básicos Geometria de imageamento RADAR Tipos de sistemas RADAR Interações entre a radiação de micro-ondas e a superfície terrestre Variáveis do sistema Variáveis ligadas ao objeto imageado COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ALVOS Comportamento espectral da água Propriedades ópticas da água Absorção no meio aquático O espalhamento no meio aquático Comportamento espectral dos solos e de minerais e rochas Comportamento espectral da vegetação Interação da REM com os dosséis vegetais Particularidades sobre a aparência da vegetação em imagens orbitais ELABORAÇÃO DE IMAGENS DA SUPERFÍCIE TERRESTRE IMAGENS COM ALTA RESOLUÇÃO ESPACIAL SENSORIAMENTO REMOTO HIPERESPECTRAL (IMAGEAMENTO ESPECTROSCÓPICO) INTERPRETAÇÃO VISUAL DE IMAGENS: UMA ABORDAGEM METODOLÓGICA REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Pág. 2

3 1. INTRODUÇÃO O Brasil iniciou os investimentos na capacitação de profissionais e no desenvolvimento de infraestrutura que viabilizasse a aplicação das técnicas de sensoriamento remoto ao final da década de 1960, com a implantação do Projeto Sensoriamento Remoto no Instituto de Pesquisas Espaciais. No início dos anos 70, todas as atividades concentraram-se na recepção e na utilização de imagens orbitais MSS dos satálites da série Landsat. Contudo, o conhecimento disponível naquela época restringia-se à viabilização da identificação de feições específicas existentes na superfície terrestre que, por sua vez, possibilitou a elaboração de mapas temáticos variados. Em meados da década de 80, com o lançamento do sensor Thematic Mapper (TM) a bordo do satélite Landsat 4 e posteriormente do Landsat 5, a resolução espacial mais fina e o maior número de faixas espectrais exploradas deste sensor em relação a seu antecessor MSS, abriram novas possibilidades da aplicação das técnicas de sensoriamento remoto, incluindo não só os mapeamentos temáticos como também os estudos visando à quantificação de parâmetros biofísicos (por exemplo: biomassa florestal) mediante o uso dos dados radiométricos derivados das imagens geradas. Independentemente do caráter acadêmico das atividades vinculadas ao uso das técnicas de sensoriamento remoto (muitos dos trabalhos eram fruto de dissertações de mestrado ou teses de doutorado), nesta época também começaram a surgir as primeiras empresas voltadas à aplicação dessa tecnologia para atender a demandas de mercado. Essas empresas passaram a vender serviços, explorando os conhecimentos que foram sendo adquiridos por instituições de pesquisa como o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Passaram também a desenvolver suas próprias soluções para problemas que foram surgindo como decorrência do atendimento de serviços cada vez mais sofisticados e específicos. Assim, o país passou a contar com inúmeras possibilidades de aplicação das técnicas de sensoriamento remoto, as quais vêm sofrendo até modificações de cunho conceitual. Os trabalhos que anteriormente se concentravam no uso de imagens orbitais ou de fotografias aéreas visando apenas o mapeamento de uma determinada feição ou classes de cobertura da superfície terrestre, passaram a incluir a quantificação de parâmetros geofísicos e biofísicos, o que exigiu um aprofundamento dos conhecimentos dos princípios nos quais se baseiam as técnicas de sensoriamento remoto. Esse conhecimento faz-se cada vez mais necessário em função das novas possibilidades do uso de dados oriundos de sensores com resoluções espaciais cada vez mais finas e que estão possibilitando a realização de serviços considerados impossíveis de ser viabilizados através do uso dos sensores até então disponíveis como o MSS e TM. É o caso do sensor colocado a bordo do satélite IKONOS que tem como objetivo gerar imagens que possibilitem a identificação de objetos de dimensões em torno de de 4 a 5 metros, em faixas espectrais que vão do visível ao infravermelho próximo. Abrem-se então novas possibilidades na aplicação de dados gerados a partir das técnicas de sensoriamento remoto, criando alternativas para o desenvolvimento e aplicação de outras técnicas, agora denominadas técnicas de geoprocessamento ou simplesmente geotecnologias. O sensoriamento remoto passa agora a uma outra etapa de sua história no país. O objetivo deste curso é fornecer algumas informações básicas sobre os princípios físicos nos quais se fundamentam as técnicas de sensoriamento remoto, apresentar os principais sistemas de coleta de dados, incluindo sistemas sensores fotográficos e eletro-ópticos, informar sobre as características espectrais dos principais recursos naturais, capacitar os 3

4 participantes na interpretação visual de imagens multiespectrais e informar sobre as principais possibilidades de aplicação das técnicas de Sensoriamento Remoto. 1.1 Um breve histórico sobre o sensoriamento semoto O desenvolvimento inicial do sensoriamento remoto é cientificamente ligado ao desenvolvimento da fotografia e à pesquisa espacial. As fotografias aéreas foram o primeiro produto de sensoriamento remoto a ser utilizado, tanto é assim, que a fotogrametria e a fotointerpretação são termos muito anteriores ao termo sensoriamento remoto propriamente dito. A primeira fotografia de que se tem notícia foi obtida por Daguerre e Niepce em 1839 e já em 1840 o seu uso estava sendo recomendado para levantamentos topográficos. O desenvolvimento nesta direção foi tão rápido, que já em 1858 o Corpo de Engenharia da França estava utilizando fotografias tomadas a partir de balões para o mapeamento topográfico de amplas áreas do território francês. O advento do avião, simultaneamente ao desenvolvimento das câmaras fotográficas, filmes, etc. trouxe um grande impulso às aplicações das fotografias para o levantamento de recursos naturais, visto que permitiu a obtenção de dados sob condições controladas e com a cobertura de áreas relativamente amplas. As primeiras fotografias aéreas foram tomadas em 1909 pelos irmãos Wright sobre o território italiano. As fotografias aéreas coloridas se tornaram disponíveis a partir de Nesta mesma época já haviam iniciado os estudos para a produção de filmes sensíveis à radiação infravermelha. Com o início da 2 a Grande Guerra começaram estudos sobre o processo de interação da radiação nessa faixa do espectro com os objetos com a finalidade de utilizar filmes infravermelhos para a detecção de camuflagem. Em 1956 foram iniciadas as primeiras aplicações sistemáticas de fotografias aéreas como fonte de informação para o mapeamento de formações vegetais nos Estados Unidos da América. No Brasil datam de 1958 as primeiras fotografias aéreas na escala 1: obtidas com o propósito de levantar as características da Bacia Terciária do Vale do Rio Paraíba como parte de um extenso programa de aproveitamento de seus recursos hídricos que culminou com a retificação de seu médio curso entre Jacareí e Cachoeira Paulista, e com a construção dos reservatório hidrelétrico de Paraibuna. O termo sensoriamento remoto apareceu pela primeira vez na literatura científica em 1960 e significava simplesmente a aquisição de informações sem contato físico com os objetos. Desde então esse termo tem abrigado tecnologia e conhecimentos extremamente complexos derivados de diferentes campos que vão desde a física até a botânica e desde a engenharia eletrônica até a cartografia. O campo de sensoriamento remoto representa a convergência de conhecimento derivado de duas grandes linhas de pesquisa. De um lado, como já foi dito, o sensoriamento remoto é tributário da aerofotogrametria e da fotointerpretação, de outro lado, seu progresso se deve muito à pesquisa espacial e aos avanços tecnológicos por ela induzidos, resultando em sensores mais sensíveis, regiões espectrais ampliadas, métodos radiométricos, etc. Embora a radiação de microondas fosse conhecida desde o início do século e existissem sistemas de radar em operação desde a 2 a Grande Guerra, apenas na década de 60 o uso de sistemas radares como sistemas de sensoriamento remoto se tornaram operacionais. O Brasil representa um dos exemplos pioneiros de utilização de dados de radar aerotransportados para o levantamento de recursos naturais. A partir de 1970 teve início o Projeto Radar na 4

5 Amazônia (RADAM) que permitiu o levantamento de 8,5 milhões de Km2 do território nacional até o fim da década de 80. Esse levantamento foi feito pelo sistema GEMS (Goodyear Eletronic Mapping System) operando na banda X (Trevett,1986). A década de 60 também assistiu ao advento dos sistemas orbitais de sensoriamento remoto. Os primeiros sensores orbitais foram voltados para aplicações meteorológicas. Paralelamente houve também a utilização de câmaras fotográficas para a aquisição de fotografias da superfície terrestre durante as missões tripuladas da série Apolo. É assim que na década de 70 é lançado o primeiro satélite experimental de levantamento de recursos terrestres (Earth Resources Technology Satellite). Esse satélite, e o sensor multiespectral que leva a bordo tem tamanho sucesso, que o seu nome é modificado para Landsat e se transforma no programa de sensoriamento remoto de mais longa duração já existente, com o 7 o satélite da série lançado em Em 1978 é lançado o primeiro sistema orbital de radar, o SeaSat. Esse satélite, concebido para obter dados para o monitoramento da superfície oceânica manteve-se em operação por apenas 3 meses. Por razões controvertidas (informação classificada, alta taxa de dados para transmissão telemétrica, alta potência requerida para operação dos sensores, entre outras) fizeram com que dados orbitais de RADAR só voltassem a ser disponíveis na década de 90 com o lançamento do satélite soviético Almaz (1990), ERS-1 (1991), JERS-1 (1992) e RADARSAT (1995). Atualmente existe um grande número de satélites de sensoriamento remoto em operação e planejados para entrar em operação. Algumas dessas missões encontram-se resumidas na Tabela 1.1. Maiores detalhes sobre essas missões podem ser encontrados em Kramer (1996). Tabela 1.1 Principais Missões de Sensoriamento Remoto Orbital em Operação e Planejadas até Missão Lançamento País ADEOS-2 ALOS ARIES CBERS-1 CBERS-2 EOS-AM1 EOS-PM1 EO-1 EROS-A1 EROS-A2 ERS-2 Envisat Ikonos-2 IRS-1B IRS-1C IRS-1D IRS-P4 IRS-P5 IRS-P6 KITSAT-3 Landsat-5 Landsat-7 LightSar QuickBird Japão 2002 Japão 2001 Austrália 1999 China/Brasil 2001 China/Brasil 1999 USA 2000 USA 2000 USA 2000 Israel 2001 Israel 1995 ESA 2001 ESA 1999 USA 1991 Índia 1995 Índia 1997 Índia 1999 Índia 2002 Índia 2001 Índia 1999 Corea 1984 USA 1999 USA 2002 USA 2000 USA 5

6 QuickBird-2 Radarsat-1 Radarsat-2 Spot-2 Spot-4 Spot-5 OrbView-3 OrbView USA 1995 Canadá 2001 Canadá 1990 França 1998 França 2002 França 2000 USA 2001 USA Como pode se observado, O Brasil também encontra-se arrolado entre países detentores de tecnologia para a aquisição de dados orbitais de sensoriamento. Em 1999, após 10 anos de desenvolvimento, o Brasil e a China lançaram com êxito relativo o satélite CBERS (China-Brazil Earth Resources Satellite). Esse satélite foi lançado com três sensores a bordo: uma câmara de amplo campo de visada (Wide Field Imager WFI), uma camara CCD (Coupled- Charged Device) e um sistema de varredura infra-vermelho (IRMSS- Infrared Multispectral System). Atualmente o Brasil está envolvido no projeto de mais duas missões de sensoriamento remoto de recursos terrestres: a missão SSR (Satélite de Sensoriamento Remoto) e a missão SABIA 3 (Satélite Argentino-Brasileiro de Informações sobre Água, Alimento e Ambiente). Além dessas perspectivas apresentadas há ainda aquelas referentes aos denominados micro-satélites, cujos objetivos variam segundo as mais variadas concepções adotadas. Como exemplo, destaca-se o SPIN-2, da União Soviética, dotado de resolução espacial de aproximadamente 2 m em seu modo pancromático. 2. Fundamentos de Sensoriamento Remoto 2.1 Conceituação A definição clássica do termo sensoriamento remoto (SR) refere-se a um conjunto de técnicas destinado à obtenção de informação sobre objetos, sem que haja contato físico com eles. Para melhor compreender esta definição, faz-se necessário identificar os quatro elementos fundamentais das técnicas de SR, os quais podem ser representados através do esquema apresentado na Figura 2.1. Fonte REM Sensor Alvo Fig. 2.1 Esquema representativo dos quatro elementos fundamentais das técnicas de sensoriamento remoto 6

7 No centro do triângulo deste esquema, encontra-se a Radiação Eletromagnética (REM), que é o elemento de ligação entre todos os demais que se encontram nos vértices. São eles, a fonte de REM, que para o caso da aplicação das técnicas de sensoriamento remoto no estudo dos recursos naturais, é o Sol (pode ser também a Terra para os sensores passivos de micro-ondas e termais, podem ser antenas de micro-ondas para os sistemas radares); o sensor, que é o instrumento capaz de coletar e registrar a REM refletida ou emitida pelo objeto, que também é denominado alvo, e que representa o elemento do qual se pretende extrair informação. A partir deste esquema compreende-se que o elemento fundamental das técnicas de sensoriamento remoto é a REM, que no vácuo propaga-se à velocidade da luz e sua interação com o meio físico pode ser explicada através de dois modelos: o modelo corpuscular (ou quântico) e o ondulatório. Sob uma perspectiva quântica, a REM é concebida como o resultado da emissão de pequenos pulsos de energia, enquanto que sob uma perspectiva ondulatória, a REM se propaga na forma de ondas formadas pela oscilação dos campos elétrico e magnético. A Figura 2.2 apresenta um esquema da representação dos campos elétrico e magnético e as oscilações mencionadas. E= Campo Elétrico; M= Campo Magnético; XZ= Plano de excitação do campo elétrico; YZ= Plano de excitação do campo magnético; Z= Direção de propagação da onde eletromagnética; λ= Comprimento de onda; Fig. 2.2-Flutuações dos campos elétrico e magnético de uma onda. FONTE: Novo(1989) No modelo ondulatório então a REM é caracterizada em comprimentos de onda que representam a distância entre dois pontos de igual intensidade dos campos elétrico e magnético. O conjunto de comprimentos de onda que compõem a REM é conhecido como Espectro eletromagnético, o qual é dividido didaticamente em um certo número de regiões espectrais, conforme apresentado na Figura

8 Fig.2.3-O espectro eletromagnético e suas principais regiões. No eixo x deste gráfico são encontrados os comprimentos de onda, enquanto que no eixo y, o parâmetro E pode ser compreendido como intensidade de REM emitida pela fonte. A linha tracejada representa então a intensidade emitida a cada comprimento de onda no topo da atmosfera, enquanto que a linha cheia que apresenta algumas descontinuidades, representa esta mesma intensidade agora na superfície terrestre. Estas descontinuidades são ocasionadas pela influência da atmosfera que se faz de forma seletiva, ou seja, ela ocorre de forma diferenciada em determinadas regiões espectrais. As faixas espectrais nas quais a influência da atmosfera é mínima são denomindadas de janelas atmosféricas. Conforme pode ser observado, em ambas as linhas, as maiores intensidades de REM são ocorrem na faixa de comprimentos de onda compreendida entre 0,4 à 0,7 µm. Esta faixa foi apresentada na Figura 2.3 como sendo a região do visível, assim denominada pelo fato de que a maioria dos animais, assim como o homem, são capazes de perceber a REM refletida dos objetos que os rodeiam nesta região espectral. Cada fonte de REM possui espectos próprios de radiação. O Sol radia a REM segundo o gráfico apresentado na Figura 2.4. Fig.2.4-Intensidade de energia solar no topo da atmosfera na superfície terrestre e de um corpo negro a 6000 o K. FONTE: Swain e Davis (1978) 8

9 As faixas mais comumente exploradas para fins do SR dos recursos naturais são: visível, infravermelho próximo, infravermelho médio e microondas. 2.2 Conceitos radiométricos Para que se possa compreender melhor como se viabiliza a aplicação das técnicas de SR no estudo dos recursos naturais, faz-se necessária a apresentação de pelo menos quatro parâmetros radiométricos. O primeiro deles, refere-se à Irradiância. Em termos bastante simplificados, a Irradiância representa a intensidade do fluxo radiante, proveniente de todas as direções, que atinge uma dada superfície. A Figura 2.5 ilustra o aspecto geométrico mencionado. Vale salientar que neste fluxo radiante estão contidos todos os diversos comprimentos de onda que são radiados pela fonte, segundo suas próprias características, assim como apresentado na Figura 2.4 para a fonte Sol. Assim que um determinado fluxo radiante atinge uma superfície, ele sofre três fenômenos: reflexão, transmissão e absorção. Estes fenômenos são dependentes das características físico-químicas do próprio objeto, que definem as intensidades de reflexão, transmissão e absorção da REM em cada comprimento de onda incidente no objeto. Fig Representação gráfica dos possíveis ângulos de incidência sobre um alvo. FONTE: Ponzoni e Disperati (1995) Imaginando então somente a porção refletida pelo objeto, um novo fluxo será originado em sentido contrário ao incidente, mas nas mesmas direções. A intensidade deste fluxo pode também ser quantificada e é expressa pela chamada Excitância. Parte deste fluxo refletido pelo objeto pode ser coletado por um sensor localizado remotamente. O termo parte refere-se a dois aspectos: um de ordem geométrica e outro de ordem espectral. O de ordem geométrica refere-se por sua vez ao fato de que não há instrumentos capazes de registrar a Excitância, uma vez que seria necessário o desenvolvimento de um sensor que envolvesse todo o objeto, o que comprometeria a incidência da REM. Evidentemente poderiam ser desenvolvidos métodos que permitissem sua estimativa, mas outra solução foi adotada. Para melhor compreender esta solução, a Figura 2.5 apresenta um esquema da trajetória da REM proveniente de um ponto da superfície de um objeto fictício. Todo sensor possui uma abertura pela qual a REM refletida ou emitada pelos objetos passa em direção ao chamado detetor, que é o elemento que realmente sente a REM. Essa abertura possui dimensões variáveis e dependentes das características tecnológicas do instrumento ou da própria natureza das operações de coleta de dados. De qualquer forma, entre esta abertura e o ponto da superfície do objeto passa a ser definido um cone por onde trafega a REM. Esse cone é denominado de ângulo sólido. Fica claro que somente a REM que estiver contida neste ângulo sólido será sentida pelo detetor, mas ao mesmo tempo, o sensor não observa somente um ponto na superfície 9

10 e sim uma determinada área desta superfície, a qual é constituída por infinitos pontos. Assim, o que realmente é medido pelo sensor é a intensidade de todos os infinitos fluxos contidos nos ângulos sólidos dos pontos da área da qual ele é capaz de observar. Esta intensidade é denominada de Radiância. A Radiância é portanto a intensidade do fluxo radiante por unidade de ângulo sólido e seu conceito pode ser comparado ao conceito de brilho, ou seja, um objeto é considerado mais brilhante quanto maior for sua Radiância medida. O aspecto espectral refere-se ao fato de que a composição espectral do fluxo que deixa a superfície sofre alterações que são dependentes das suas características físicoquímicas. Assim, a Radiância medida por um sensor pode ser determinada para um intervalo específico de comprimentos de onda (região ou banda espectral). No esquema apresentado na Figura 2.5, fica claro que o sensor observa instantaneamente uma determinada porção da superfície do terreno. A área desta superfície define o chamado elemento de resolução espacial. Desta área é registrado um único valor de Radiância para cada faixa ou região espectral que o sensor é capaz de perceber a REM refletida ou emitida pelos objetos contidos em seu elemento de resolução espacial. Fig.2.5 Representação esquemática do conceito de Radiância medida através de um sensor remotamente localizado. Nota-se portanto a existência de dois principais aspectos intrínsicos às técnicas de SR: o aspecto espacial e o aspecto espectral. Estes aspectos são comumente denominados de domínios espacial e espectral, respectivamente. O domínio espacial é expresso pela resolução espacial do sensor, a qual é definida como a menor área da qual o sensor é capaz de registrar a REM. O domínio espectral refere-se à largura da faixa espectral que este mesmo sensor é sensível. Faixas mais largas conferem uma resolução espectral menor ao sensor. Contrariamente, elementos de resolução espacial menores, conferem aos sensor maiores resoluções espaciais. Existe ainda um terceiro domínio que é o domínio temporal, o qual refere-se ao período de tempo compreendido entre duas coletas de dados sobre uma mesma superfície do 10

11 terreno. Este domínio é expresso pela resolução temporal da plataforma que sustenta o sensor, podendo ser ela uma haste portátil, uma aeronave ou até mesmo um satélite. Diz-se que um sensor possui maiores resoluções temporais, quanto menores forem os períodos de tempo entre coletas de dados. Pelo já exposto, pode ser verificado que a Radiância é também dependente da intensidade do fluxo radiante que atinge o objeto (Irradiância). Quanto maior for essa intensidade, maior também será aquela referente ao fluxo que deixa o objeto, e consequentemente, maior será a Radiância. Para que se conheça as propriedades intrínsecas dos objetos em termos de sua interação com a REM, faz-se necessária a apresentação de mais um conceito importante que é o da Reflectância. A Reflectância representa uma relação entre a Radiância refletida de um dado objeto pela Irradiância. Nota-se portanto que a Reflectância expressa as propriedades instrínsecas dos objetos em refletir a REM sobre eles incidente. Ela é expressa em percentagem, possuindo então um caráter relativo. É através da Reflectância que são estudadas as características intrínsecas dos objetos em refletir a REM incidente, pois ela é dependente das suas propriedades físicoquímicas. Este estudo é denominado de estudo do Comportamento espectral de alvos, cujos principais aspectos serão apresentados oportunamente. 3. TIPOS DE DADOS DE SENSORIAMENTO REMOTO Os tipos de dados de sensoriamento remoto a ser adquiridos dependem do tipo de informação necessária, do tamanho e da dinâmica dos objetos ou fenômenos estudados. Conforme já mencionado anteriormente, a aquisição de dados é viabilizada através de instrumentos denominados sensores que diferenciam-se entre si pela forma de funcionamente e por suas capacidades (resoluções espacial, espectral e radiométrica). A Figura 3.1 apresenta um esquema no qual são relacionados alguns tipos de sensores e o papel que têm na aquisição dos diferentes tipos de informação. Informação Espacial Imageadores Altímetros Sondas Espectrômetros Espectrômetros imageadores imageadores Radiômetros Radiômetros Imageadores Imageadores Informação Espectral Espectrômetros Espctroradiômetros Difusômetros Radiômetros Informação sobre Intensidade Fig. 3.1 Diferentes tipos de informações disponíveis em diferentes tipos de sensores (Adaptado de Elachi, 1987). Os dados de sensoriamento remoto podem ser adquiridos no formato de imagens bidimensionais quando são necessárias informações com alta resolução espacial, como é 11

12 o caso da imagem TM/Landsat da Figura 3.2. Tais imagens também são importantes quando se deseja informação sinóptica sobre amplas áreas como aquelas fornecidas pelos satélites meteorológicos (Figura 3.3). As imagens bidimensionais podem ser adquiridas em diferentes regiões do espectro eletromagnético, tais como a região visível, termal, microondas, etc.; com canais de diferentes resoluções espectrais que vão de poucos nanômetros, como é o caso dos sensores hiperespectrais, até sistemas pancromáticos que integram radiação em todo o espectro visível. Os Espectrômetros são utilizados para detectar e medir o conteúdo espectral de um campo eletromagnético. Este tipo de informação é importante para a identificação da composição química dos objetos. Quando se estuda a atmosfera, os aspectos espaciais são menos críticos do que quando se estuda a superfície terrestre, porquê o gradiente de mudança da composição química é muito menor. Assim sendo, os sensores para o estudo da composição química da atmosfera não precisam ter resolução espacial elevada, mas precisam de excelente resolução espectral. No caso de estudos da superfície terrestre, quando há o interesse de conhecer a composição química das rochas, por exemplo, torna-se essencial uma boa resolução espacial, e neste caso, recomenda-se a aplicação de espectrômetros imageadores. Fig. 3.2 Imagem bidimensional do terreno exemplificada por um subcena de uma imagem do sensor Thematic Mapper a bordo do satélite Landsat-5 Em inúmeras aplicações os aspectos espectrais e espaciais são menos importantes e o que se necessita são medidas precisas da intensidade do campo eletromagnético em uma ampla região espectral.. Um exemplo de sensores utilizados com essa finalidade são os radiômetros, dentre os quais o Advanced High Resolution Radiometer que se encontra a bordo do satélite NOAA. O Radiômetro do NOAA foi concebido para fornecer informações precisas sobre a temperatura. Assim sendo, a resolução espectral dos canais termais é de 1000 nm e a resolução espacial no nadir é de 1, 1 km. Mas a resolução radiométrica do sistema, ou seja sua capacidade de medir pequenas variações na intensidade da radiância medida pelo sensor é bastante alta (10 bits). 12

13 Fig. 3.3 Imagem sinóptica de um satélite meteorológico Em numerosas aplicações, a informação necessária é a distribuição tridimensional de uma dada variável. Neste caso, sensores tais como os altímetros (fornecem informações sobre a topografia da superfície) e as sondas (fornecem a distribuição vertical da temperatura na coluna atmosférica) são extremamente úteis Plataformas de sensoriamento remoto As plataformas de sensoriamento remoto definem o nível de aquisição dos dados. Esses níveis podem ser orbital (representados pelas plataformas espaciais), aéreo (representados pelas aeronaves e helicópteros) e terrestre (representados por torres, e sistemas radiométricos de campo). Até o ano de 1946, os dados de sensoriamento foram adquiridos essencialmente a partir de aeronaves ou balões. Em 1946 foram obtidas as primeira fotografias a partir do foguete V-2. Essas fotos demonstraram o imenso potencial que imagens orbitais possuíam uma vez que forneciam uma nova perspectiva de observação da Terra. Apesar desse potencial, apenas na década de 60 começaram a ser obtidos dados de sensoriamento remoto a partir de plataformas orbitais. Em 1961 foi obtida a primeira fotografia orbital colorida a partir de um câmara automática colocada a bordo da espaçonave MA-4 Mercury. A partir desta data, diversas outras missões orbitais foram realizadas e fotografias obtidas das mais diversa regiões do planeta Terra. As plataformas espaciais de sensoriamento remoto podem ser classificadas em plataformas tripuladas tais como as da série Mercury, Gemini, Apollo na década de 60 e os ônibus espaciais (Space Shuttle) a partir dos anos 80, ou ainda as plataformas soviéticas Vostok, Voskod, Soyuz e não tripuladas, como os vários programas existentes desde o lançamento dos primeiros satélites meteorológicos. As plataformas espaciais podem ser classificadas em função do tipo de órbita em satélites geoestacionários e satélites de órbita polar. Os satélites de órbita geoestacionária são satélites localizados em órbitas altas (a pelo menos 35 mil quilômetros acima da superfície da Terra ) no plano do Equador, as quais 13

14 se deslocam à mesma velocidade e direção do movimento de rotação da Terra, com isto, o satélite se mantém estacionário em relação à superfície, observando sempre a mesma região. Os satélite GOES e Meteosat são exemplos de plataformas espaciais geoestacionárias. Os satélites de órbita polar são síncronos com o Sol, ou seja, sua velocidade de deslocamento perpendicularmente ao plano do Equador é tal que sua posição angular em relação ao Sol se mantém constante ao longo do ano. Um satélite de órbita polar completa, em média, 15 órbitas em torno da Terra por dia. Cada órbita é completada em cerca de 100 minutos. Esses satélites podem assim passar sob todos os pontos da superfície terrestre sempre no mesmo horário, seja de dia ou seja a noite. O primeiro satélite experimental a carregar a bordo um sensor meteorológico foi lançado pelos Estados Unidos da América em As primeiras plataformas espaciais de sensoriamento remoto foram os satélites meteorológicos da série TIROS (Television Infrared Observation Sattelite) lançado pela primeira vez em O programa teve tal êxito que em 1966 já havia um sistema global operacional de aquisição diária de dados meteorológicos sob a administração da NOAA (National Oceanographic Atmospheric Administration). No início da década de 60 a National Aeronautics and Space Administration (NASA) deu início ao programa de satélites da série Nimbus com o objetivo de atender às necessidades da pesquisa meteorológica. O programa visava não só o desenvolvimento de plataformas orbitais mais avançadas, mas também sensores mais avançados que permitissem o monitoramento diário e global da atmosfera terrestre para se criar uma base de dados para a previsão do tempo de curto e médio prazo. O satélite Nimbus foi lançado em 1964 segundo uma órbita polar, e é o precursor do atual satélite NOAA. Em 1972 foi lançado pela NASA o primeiro satélite de Recursos Naturais o ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) o qual posteriormente foi renomeado para Landsat-1. O Landsat1- foi seguido de uma série de satélites, sendo que em 1999 foi lançado o sétimo com várias inovações tecnológicas decorrentes não só do desenvolvimento de detetores e componentes ópticos mais eficientes, como também, em decorrência das demandas da comunidade de usuários de produtos de sensoriamento remoto. A partir de 1981 os ônibus espaciais passaram a prover uma outra plataforma alternativa para a aquisição de dados de sensoriamento remoto. A Segunda missão do ônibus espacial levou a bordo um conjunto de sensores orientados para o sensoriamento remoto terrestre, dentre os quais destacam-se um radar imageador, um radiômetro operando no visível e no infra-vermelho. Em um futuro próximo, estes estarão disponíveis para a aquisição de dados de sensoriamento a partir de estações espaciais. As atividades de sensoriamento remoto não se limitam à superfície terrestre. Na verdade, elas tiveram seu início a partir da necessidade de se obter informações remotas de planetas como Marte, Mercúrio, Venus, Júpiter, Urano. Existem numerosas imagens adquiridas da superfície da Lua, Mercúrio, Marte, Júpiter e dos anéis de Saturno, e da atmosfera de Venus, Júpiter, Saturno e Urano. Outros tipos de sensores remotos como radares altímetros, sondas, detetores de radiação gama, radiômetros são utilizados em inúmeras missões interplanetárias. O uso de sistemas orbitais está se tornando uma necessidade em um número grande de disciplinas ligadas às ciências ambientais devido às necessidades de informações globais e sinópticas a pequenos intervalos de revisita. Esses fatores são essenciais para a observação de fenômenos dinâmicos como a atmosfera, os oceanos, e os processos biológicos e biogeoquímicos. 14

15 A Tabela 3.1 apresenta uma relação de diferentes tipos de informação comumente necessárias em estudos que envolvem a aplicação de técnicas de sensoriamento remoto, os respectivos tipos de sensores empregados e alguns exemplos de equipamentos atualmente disponíveis. Tabela 3.1 Tipos de dados de sensoriamento remoto (Adaptado de Elachi, 1987) Tipo de informação necessária Tipo de Sensor Exemplo de Sistemas Alta resolução espacial e amplo recobrimento do terreno Sensores imageadores e câmeras Large Format Câmera, radar imageador do satélite JERS-1 Alta resolução espectral sobre áreas limitadas Espectrômetro e espectro Shuttle Imaging Spectrometer radiômetros Resolução espectral limitada com alta resolução espacial Mapeadores multiespectrais TM/Landsat, HRV/Spot, RADARSAT Alta resolução espectral e alta resolução Espectrômetros imageadores AVIRIS, MODIS, ASTER espacial Alta precisão de medidas de intensidade ao Radiômetros e Difusômetros ERS-1 difusômetro longo de linhas ou faixas Alta precisão de medidas de intensidade com Radiômetros imageadores SMMR/AVHRR resolução espacial moderada Alta precisão de localização e perfil Altímetros e sondas Altímetro TOPEX/Poseidon Mapeamento Tridimensional do Terreno Altímetros Shuttle High Resolution Altimeter 3.2 Sistemas sensores: sistemas fotográficos Uma vez que a energia emitida, retro-espalhada, ou refletida pelo alvo atinja o sensor, este deve ser capaz de realizar duas funções básicas: a ) focalizar a energia sobre um detetor; b) transformar a energia focalizada numa intensidade de sinal passível de ser registrada de forma permanente. Assim sendo, todos os sistemas sensores são composto por um sistema de lentes, um sistema de abertura óptica e um detetor. Nesse sentido, todo sistema sensor pode ser melhor compreendido através de sua analogia com o sistema visual humano. O estudo do sistema visual humano permite compreender as funções básicos de um sistema sensor. Segundo Slater (1980) o olho humano desempenha um papel muito importante na atividade de sensoriamento remoto, não só pela semelhança com os sistemas sensores desenvolvidos a partir de analogias com a visão humana, mas também, pelo fato de que toda a análise das imagens de sensoriamento remoto e todas as atividades de interpretação dessas imagens repousam no processo de interpretação de cores, padrões e texturas. Segundo Slater (1980) os olhos são o derradeiro sensor contra o qual os demais são calibrados O sistema visual humano Uma completa descrição do olho humano pode ser encontrada em Maluf Rosa (1999). Como pode ser observado na Figura 3.4, o globo ocular é formado por três membranas: a) uma membrana externa, chamada esclerótica, formada por um tecido fibroso e responsável pela proteção das membranas internas e pela manutenção da forma do olho. A porção anterior da esclerótica é formada por um tecido transparente chamado córnea; b) uma membrana média, chamada vascular, formada pela coróide, pelo corpo ciliar e pela iris. Na porção anterior da membrana forma-se uma pequena abertura circular denominada pupila; 15

16 c) uma membrana interna, chamada retina ou membrana nervosa, formada por receptores, especializados em responder à estimulação pela luz e em transformar a energia luminosa em impulsos nervosos responsáveis pela sensação de visão. A iris é um diafragma circular, situado atrás da córnea e possuí uma abertura circular chamada pupila. A iris é formada por dois tipos de fibras musculares lisas dispostas circularmente e radialmente. Essas fibras são responsáveis pela variação do diâmetro de abertura da pupila nos processos de acomodação do olho a diferentes intensidades luminosas e a diferentes distâncias dos objetos. Entre a esclerótica e a córnea forma-se um meio transparente chamado humor aquoso, que preenche o espaço vazio entre a córnea e o cristalino. O cristalino é formado por um conjunto de lentes biconvexas encerradas por uma membrana fina chamada cápsula, e localizado imediatamente atrás da iris. O cristalino encontra-se à pequena distância atrás da pupila, e é mantido na posição através dos ligamentos suspensores. A cavidade ocular posterior ao cristalino é preenchida por uma substância gelatinosa transparente chamada corpo vítreo. Fig. 3.4 Esquema do Olho Humano (Adaptado de Slater, 1980) A imagem formada pelas lentes é focalizada na retina, na porção posterior do olho. A retina, como já mencionado possui um mosaico de receptores sensíveis a luz, conhecidos por cones e bastonetes. Os cones ocupam uma região chamada de fóvea central, ao longo do eixo óptico. A fóvea central é a região da retina humana de maior acuidade visual, visto que os cones são sensíveis a altos e médios níveis de intensidade luminosa e às diferenças de comprimento de onda da energia proveniente dos diferentes objetos. Assim sendo, a percepção de cor é função dos cones, e se dá principalmente na região da fóvea central. A medida em que se distancia da fóvea central a densidade de cones da retina diminuí e esta passa a ser formada por bastonetes, os quais são responsáveis pela detecção de baixos níveis de energia, e não sensíveis a cor. Os cones são, desta forma, responsáveis pela visão fotótica ou diurna, e os bastonetes, pela visão escotótica ou noturna. O máximo de sensibilidade média do olho humano à visão diurna encontra-se em 555 nm, enquanto o máximo de sensibilidade do olho humano à visão noturna encontra-se em 505 nm. A maior sensibilidade dos bastonetes a níveis mais baixos de energia se dá em detrimento da acuidade visual. Os cones permitem o reconhecimento de objetos muito menores do que os bastonetes. 16

17 Analogia entre o olho humano e a câmera fotográfica Existem grandes semelhanças entre o olho humano e os sensores em geral, e a câmera fotográfica em particular. Essas analogias podem ser observadas na Figura 3.5. Em ambos os sistemas, os raios luminosos são refratados e focalizados através de sistemas de lentes sobre uma superfície sensível. Na câmera fotográfica, esta superfície sensível é a película fotográfica (nos sensores de varredura multiespectral são os detetores). Nos olho humano esta superfície sensível é a retina. O meio refringente na câmara fotográfica são as lentes, nos sensores de varredura são lentes, grades de difração, espelhos, etc e no olho humano é o cristalino, a córnea, e em menor grau o humor aquoso e o humor vítreo. Fig Esquema geral do olho humano como uma analogia de um sensor (Adaptado de Maluf Rosa, 1999). Como pode ser observado na Figura 3.5, a imagem de um objeto sofre uma inversão ao atingir a película. O mesmo ocorre com a imagem retiniana. È o processamento no cérebro que determina o reposicionamento da imagem. Da mesma forma, para que a imagem formada sobre a película fotográfica corresponda à imagem real, o filme é submetido a processamento fotográfico Visão das cores Existem diversas teorias sobre a visão das cores. A teoria mais aceita preconiza que existem três tipos de cones (receptores): sensíveis à luz vermelha, sensíveis à luz verde e sensíveis à luz azul. A luz branca ao incidir sobre a retina, estimularia igualmente todos os receptores. A luz vermelha ao incidir sobre a retina apenas estimularia os receptores sensíveis àquela radiação provocando a percepção visual da cor vermelha. Quando a cor amarela é vista, a sensação resulta do fato de que tanto os receptores sensíveis ao verde quanto ao vermelho estão sendo estimulados com a mesma intensidade. 17

18 O primeiro cientista a provar que a sensação de luz branca era o resultado da existência simultânea de luzes de vários matizes foi Isaac Newton. Através de um experimento simples, que consistiu em fazer incidir um feixe de luz branca sobre um prisma. A luz emergente do prisma projetada num anteparo branco resultou numa sucessão de diferentes matizes semelhantes às observadas em um arco-iris. O fato de o prisma promover a decomposição da luz branca comprova a natureza ondulatória da radiação, visto que esta se deve a variação do índice de refração do prisma nos diferentes comprimentos de onda. Cada matiz decomposto está dessa forma associado a uma determinada freqüência de radiação ou comprimento de onda. 3.3 Sistemas fotográficos O sistema fotográfico é composto basicamente por um sistema de lentes, um obturador e um filme. As lentes tem a função de focalizar a imagem do objeto sobre o filme. O obturador, por sua vez, controla o tempo de exposição do filme. As câmaras aéreas foram os primeiros sistemas sensores a serem utilizados para a extração de informações sobre a superfície terrestre. Apesar do grande número de modelos diferentes de câmaras aéreas utilizadas em aero-levantamentos, estas podem grosseiramente ser classificadas em duas categorias: câmaras métricas e câmaras de reconhecimento. As câmaras métricas são utilizadas com finalidade cartográfica o que faz com que sua configuração seja adaptada para que as distorções geométricas sejam minimizadas. As câmaras de reconhecimento são utilizadas, como o próprio nome diz, para a identificação de objetos, para a vigilância, sem preocupação com a aquisição de dados quantitativos (distância, tamanho, etc.) sobre os objetos imageados. Um dos componentes fundamentais dos sistemas fotográficos são os filmes fotográficos. O filme fotográfico consiste de uma camada gelatinosa que contém cristais de sais insolúveis de prata (cloreto, brometo ou iodeto) conhecidos como haletos de prata ou halogenetos de prata. Os grãos individuais de sais de prata possuem tamanho variável entre 0,01 e 0,03 mícrons. Esse conjunto gelatinoso impregnado de sais de prata é conhecido tecnicamente pelo nome de emulsão. Ao atingir a emulsão, a luz reage com os sais de prata e reduz os íons prata a átomos de prata metálica. A quantidade de prata reduzida pela luz é proporcional a intensidade da luz incidente. Entretanto, mesmo sob condições de alta incidência, a quantidade de íons convertidos a prata é muito pequena, e se forma na emulsão uma imagem latente do objeto fotografado (ou seja, uma imagem escondida, não revelada). Para que a imagem latente se transforme em uma imagem do objeto, o filme precisa ser submetido ao processo de revelação. Na imagem latente, cada grão de prata possui um núcleo de prata metálica cujo tamanho é proporcional à luz incidente naquele ponto. O processo de revelação consiste em provocar o aumento do núcleo de prata metálica de cada grão de prata. O poder de resolução do filme depende do tamanho dos sais de prata. À medida que aumenta o tamanho dos sais, diminui a capacidade do filme de registrar pequenos detalhes. Por outro lado, quando menor o tamanho dos sais de prata, menor é a sensibilidade do filme, ou seja, menor sua capacidade de gerar uma imagem latente sob condições de baixa iluminação. Outro componente dos filmes são os corantes, os quais são responsáveis pela absorção seletiva da luz antes que estas atinjam os sais de prata. Por isso, os corantes são 18

19 utilizados para sensibilizar os grãos em relação a qualquer cor de luz desejada através do espectro visível até o limite da radiação infravermelha. Os filmes podem ser caracterizados por sua velocidade (ou sensibilidade), granularidade (tamanho dos grãos de prata), resolução espacial e curva caracterísitica (curva de sensibilidade). A Figura 3.6 mostra a curva característica de um filme e os conceitos a ela associados. Pela análise dessa figura, pode-se observar que a densidade do filme é proporcional à exposição do filme. Quanto maior a exposição, maior a densidade do filme, ou seja, mais sais de prata são transformados em prata metálica. A inclinação da curva característica em sua região linear é expressa pela tangente do ângulo θ e representa o valor de gama do filme (γ). A gama do filme expressa o seu contraste. Um filme com gama maior que 1 (um) tem um contraste maior do que um filme com gama menor que 1 (um), visto que a energia incidente sobre o filme é distribuída para um amplo range de níveis de cinza ou matizes no caso de filmes coloridos. Fig. 3.6 Curva característica de um filme. A velocidade dos filmes é fornecida em termos de unidades de ASA (American Standard Association) para filmes comuns ou em termos de unidades de AFS (Aerial Film Speed), para filmes especialmente concebidos para missões de aerolevantamento. A Tabela 3.1 exemplifica a relação entre granularidade, velocidade, e resolução espacial da fotografia aérea para uma dada escala. Tabela Relacionamento entre as diferentes características de um filme (adaptada de Curran, 1985). Filme Tipo de Filme AFS Granularidade Resolução espacial (linhas por Resolução Espacial mm para um contraste 1,6:1) na escala 1: Reconhecimento Reconhecimento Métrico Métrico

20 A Figura 3.7 permite comparar dois filme de velocidade diferentes. O Filme A é um filme rápido, e o filme B é um filme lento. Em outras, palavras, o Filme A, tem um gama maior que 1 (um), um contraste alto, alta granularidade e pequena amplitude de exposição. O filme é sensível a baixos níveis de exposição e pode ser usado em situações que a velocidade de exposição deve ser alta. A resolução radiométrica do filme é pequena, mas sua resolução espacial é alta. O filme B é um filme com um valor de gama menor do que 1 (um), baixo contraste e baixa granularidade. Fig 3.7 Comparação de curvas características de filmes Existem diferentes tipos de filmes, mas eles podem ser classificados em duas amplas categorias: filmes preto e branco e filmes coloridos. Os filmes preto e branco caracterizam-se por serem sensíveis a uma ampla região do espectro eletromagnético. Os filmes preto e branco foram e são amplamente utilizados em atividades de aerolevantamento em fotogrametria pôr várias razões: 1) são mais baratos; são geometricamente estáveis, são ideais para aplicações métricas. Historicamente os filmes preto e branco tem sido amplamente utilizados em estudos e aplicações relacionadas ao levantamento de recursos naturais. Dentre as aplicações mais populares destacam-se: mapeamento geológico; identificação de culturas; levantamento de solos, etc. Outro tipo de filme preto e branco amplamente utilizado é o filme infravermelho preto e branco. A principal diferença entre o filme pancromático e o infravermelho preto e branco é que este último tem sua sensibilidade estendida à região do infravermelho próximo. Este filme pode ser usado com ou sem filtros. Quando utilizado com filtros que bloqueiam a radiação visível permite a aquisição de fotografias na região do infravermelho próximo. Este tipo de filme é muito útil em estudos voltados a identificação de doenças em plantas. A sensibilidade desse filme à umidade do solo torna esse filme muito útil também para mapear a condição hídrica dos solos. Essa mesma característica do filme tem sido utilizada para localizar limites geológicos associados a variações no conteúdo de umidade e à profundidade da camada de intemperismo. Os filmes infravermelhos podem ser também utilizados em sistemas fotográficos multi-bandas. Neste caso, sistemas de lentes e filtros permitem que a radiação em 20

21 diferentes comprimentos de onda sejam focalizadas em diferentes regiões do filme, permitindo a recomposição posterior de uma fotografia colorida infra-vermelho. A Figura 3.8 mostra de forma esquemática um filme adquirido com um sistema fotográfico multi -banda. A cena foi imageada simultaneamente através de um filtro vermelho, verde, azul e infravermelho. Fig. 3.8 Esquema de um filme infra-vermelho utilizado para adquirir fotografia aérea multibanda. O quadro vermelho representa a imagem sensibilizada pela luz vermelha, o quadro verde pela luz verde, o quadro azul pela luz azul e o quadro lilaz pela radiação infravermelha. A composição colorida é obtida combinando-se três a três as diferentes imagens. Pode-se gerar uma composição infra-vermelha colorida, combinando-se, por exemplo, a imagem obtida no azul, no verde e no infra-vermelho, e associando-se cada uma dessas imagens a filtros das cores azul, verde e vermelho, respectivamente. Assim, na composição resultante todas as superfícies com alta intensidade de sinal infra-vermelho aparerecerão na cor vermelha. Outra ampla categoria de filmes são os filmes coloridos. O olho humano pode perceber mais do que variações de cores, enquanto percebe apenas 200 variações de níveis de cinza. Apenas esta diferença na percepção humana de cores já demonstra que os filmes coloridos apresentam um potencial de informação maior do que aquele apresentado pelos filmes preto e branco. Os filmes coloridos foram desenvolvidos de modo a simular a sensibilidade do olho humano as cores. Assim sendo, os modernos filmes coloridos possuem três camadas fotográficas: uma sensível à luz azul, outra sensível a luz verde e outra sensível à luz vermelha. As três camadas são superpostas formando um trio. Como a sensibilização de uma camada sensível ao verde ou vermelho não limita sua sensibilidade à radiação azul, a camada azul é colocada em primeiro lugar. Entre esta camada e as demais é colocado um filtro amarelo para absorver o remanescente da radiação azul, evitando que as demais camadas sejam atingidas por ela. Além dos grãos fotográficos, as camadas de um filme colorido possuem acopladores de cor (corantes). Assim sendo, na camada sensível ao vermelho, o acoplador é escolhido de maneira que o corante formado absorva a luz vermelha, resultando assim a formação da cor complemetar, o ciano. De modo semelhante, forma-se um corante magenta na camada sensível ao verde, e um corante amarelo na camada sensível ao azul. O processo de formação de cores, nesse caso é subtrativo. As cores do objeto de interesse são subtraídas da imagem latente, sendo registrada apenas sua cor complementar. A Figura 3.9 ilustra o processo de formação de cores através da sensibilização e revelação de um filme colorido. 21

22 Fig. 3.9 Exemplo de processamento de filme colorido O custo de aquisição de fotografias aéreas coloridas é muito mais elevado do que o da aquisição de fotografias pancromáticas. Os filmes coloridos têm sido utilizados para uma ampla gama de aplicações em ecologia e em geociências. Devido à grande variedade de cores relacionáveis a diferentes espécies vegetais, as fotografias aéreas coloridas tem sido amplamente utilizadas na identificação de espécies; elas são também bastante utilizadas no estudo de diferentes tipos de culturas agrícolas. Existem ainda filmes coloridos infravermelhos e filmes infravermelhos falsacor cuja estrutura e processamento são bastante similares a dos filmes coloridos. O filme infravermelho falsa cor utiliza a camada sensível ao azul para registrar a radiação verde, e a camada sensível á radiação vermelha para registrar a radiação infra-vermelha. Assim sendo, as fotografias infravermelhas coloridas falsa-cor não trazem informações sobre o componente azul dos alvos, visto que ele é bloqueado por um filtro antes de atingir o filme. Assim sendo um objeto de cor azul da cena, aparecerá negro em uma fotografia colorida falsa cor. A Figura 3.10 ilustra a estrutura de um filme infra-vermelho falsa cor. 22

23 Fig Estrutura de um filme infra-vermelho colorido falsa cor. Os filmes infravermelhos falsa cor são amplamente utilizados em diversas aplicações ambientais, as quais incluem a classificação de áreas urbanas, o monitoramento da umidade do solo, a avaliação de desastres ambientais, na avaliação do estado fitossanitário de culturas agrícolas e de plantios de essências florestais, entre outras. Este tipo de filme é mais útil em situações em que as características da vegetação sejam o elemento essencial de caracterização do estado da superfície. Uma das aplicações mais difundidas do filme infravermelho colorido falsa cor é a identificação de áreas de anomalias geobotânicas, as quais podem ser associadas a áreas de ocorrência de regiões com potencial para a exploração mineral. Outra aplicação importante dos filmes infravermelhos coloridos falsa-cor é a delimitação de regiões alagadas em áreas de difícil acesso. Este tipo de informação é de grande utilidade em aplicações militares, visto que permite a avaliação das condições de tráfego de veículos pesados. 3.4 Obtenção de medidas a partir de fotografias aéreas. A obtenção de medidas a partir de fotografias aéreas requer o conhecimento de suas propriedade geométricas. As duas propriedades geométricas mais importantes de uma fotografia aérea são as propriedades angulares e a escala da fotografia. Em função do ângulo de aquisição da fotografia aérea ela pode ser classificada em vertical, oblíqua e oblíqua baixa, conforme Figura As fotografias aéreas mais amplamente obtidas são as fotografias aéreas verticais, visto que suas propriedades se assemelham às propriedades de um mapa, com escala quase constante ao longo da cena fotografada. A grande vantagem das fotografias aéreas oblíquas é a de que para uma mesma altura de vôo elas podem recobrir áreas muito mais amplas do terreno, sendo portanto mais úteis em atividades de reconhecimento. 23

24 Fig Geometria de aquisição de fotografias aéreas. As fotografias aéreas verticais devem ser obtidas de tal modo que o ângulo entre o eixo óptico da câmara e a perpendicular ao datum da superfície imageada nunca exceda a 3 o. Essa condição é muitas vezes difícil de ser alcançada em condições normais de aerolevantamento devido à problemas de turbulência atmosférica. Para minimizar tais efeitos sobre a qualidade geométrica das fotografias aéreas verticais são utilizados instrumentos a bordo da aeronave seja para compensar a movimentação da plataforma, seja para medir os desvios da posição de modo a corrigir eventuais distorções nas fotografias obtidas. As fotografias oblíquas são obtidas quando o ângulo entre o eixo óptico da câmera e a perpendicular ao datum é superior a 10 o. As fotografias oblíquas podem ser classificadas ainda em oblíquas altas (oblíquas propriamente ditas) e oblíquas baixas. As fotografias oblíquas altas são aquelas que contêm o horizonte aparente da cena o qual pode ser utilizado para gerar uma grade em perspectiva que permite correções de escala. As fotografias obliqüas baixas não contém o horizonte aparente tornando mais difícil a determinação das diferenças de escala ao longo da cena. As fotografias aéreas verticais geralmente são obtidas em seqüências ao longo de uma linha de vôo de tal modo que apresentem sobreposição da ordem de 60%. Este recobrimento ao longo da linha de vôo permite a aquisição dos chamados pares estereoscópicos, os quais são usados para que o terreno possa ser visualizado em três dimensões. De modo que toda a área imageada seja recoberta em sucessivas linhas de vôo, convencionou-se também um recobrimento lateral de 30 % entre linhas de vôos adjacentes. Outra propriedade importante das fotografias aéreas é a sua escala. A escala da fotografia aérea determina o seu valor para diferentes aplicações. Fotografias aéreas de escalas pequenas (menores do que 1:50.000) proporcionam visão sinóptica da superfície e a possibilidade de observar extensas aéreas. Entretanto o nível de resolução da fotografia nessa escala é bem pequeno, e ela permite apenas mapeamentos de caráter regional. Uma fotografia aérea com escala grande (1:2.000) permite a aquisição de informações localizadas em pequenas aéreas com alta resolução espacial. Podem ser mapeados objetos de dimensões inferiores a 1 metro e são muito úteis em estudos urbanos, no estudo de hábitos alimentares de animais, entre outros. 24

25 A escala da fotografia (E) depende de duas variáveis: distância focal da câmara (f) e altura de vôo (Av). A distância focal da câmara é a distância entre o centro da lente e o filme. A altura de vôo é a altura da lente em relação ao nível do mar (A), menos a altura da superfície imageada em relação ao nível do mar(a). Essas relações podem ser observadas na Figura Fig Grandezas relacionadas à escala fotográfica (adaptado de Curran, 1985). Com base na Figura 3.12 pode-se verificar que a escala da fotografia aérea pode ser obtida a partir da relação expressa pela equação 3.1: f f E = = (3.1) A-a Av Quando a altura de vôo é desconhecida ou quando a altura da superfície em relação ao nível do mar é desconhecida, pode-se estimar a escala da fotografia aérea estabelecendo uma relação entre o tamanho dos objetos na superfície e sua dimensão nas fotografias aéreas. Mede-se a distância entre dois pontos no terreno (DT) e a mesma distância entre os pontos na fotografia aérea (DF). A escala será dada pela razão conforme equação 3.2. DF E = (3.2) DT 25

26 3.4.1 Visão estereoscópica Uma das grandes vantagens da fotografia aérea é a possibilidade de visão tridimensional ou estereoscópica. Esta visão é possível devido ao chamado efeito de paralaxe. Este efeito consiste na possibilidade de observação simultânea de um mesmo objeto segundo dois ângulos de observação distintos. Este efeito é utilizado pelo cérebro humano para proporcionar a percepção de profundidade, no caso específico da visão humana. Este efeito é aproveitado ao se obterem fotografias aéreas para que possa reproduzir a percepção humana de visão em profundidade. Para que as fotografias aéreas possam ser observadas estereoscopicamente são necessários equipamentos conhecidos pelo nome de estereoscópios. Existem dois tipos básicos de estereoscópios: os estereoscópios de bolso, que permitem a visualização de pequenas regiões da foto, e os esteroscópios de espelho, que permitem a visão de todo o modelo estereoscópio reproduzido por um conjunto de fotos. A propriedade de paralaxe do modelo estereoscópico permite a aquisição de medidas de altura a partir de fotografias aéreas. A Figura 3.13 ilustra o procedimento utilizado para a obtenção de medidas de altura a partir de pares estereoscópicos. Distância entre os topos da árvore Distância entre as bases da árvore Distância entre os centros da foto Fig Esquema de aquisição de medidas de altura de objetos em fotografias aéreas verticais. A altura do objeto de interesse pode ser obtida a partir da equação 3.3: p x Av H= (3.3) Pa + p onde: h= altura do objeto p= diferenças em distância entre o topo e a base do objeto nas duas fotografias (em mm) Pa = distância entre o ponto central das fotos Av= altura de voo. 26

27 3.5 Interpretação de fotografias aéreas A interpretação de fotografias aéreas pode ser formalmente definida como o ato de examinar imagens fotográficas com o propósito de identificar objetos e exercer julgamento sobre o seu significado. Durante o processo de interpretação, os intérpretes realizam tarefas tais como: detecção, reconhecimento e identificação, análise, dedução, classificação, idealização e determinação da exatidão. O processo de detecção envolve o ato de identificar objetos que são imediatamente visíveis tais como confluências de rios, estradas, ou indiretamente visíveis, tais como áreas de solos encharcados. O processo de reconhecimento envolve dar nomes aos objetos e deduzir o seu significado e está relacionado aos chamados elementos da fotointerpretação que são: a forma, a textura, o tamanho, a cor, a tonalidade, a sombra e o contexto. Cada um destes elementos tem sua correspondência com os domínios das técnicas de sensoriamento remoto que são o domínio espacial, o espectral e o temporal. O intérprete de fotografias aéreas precisa primeiramente saber com exatidão a sensibilidade espectral do filme utilizado na geração das fotografias com as quais elaborará o serviço de interpretação, uma vez que a cor, a tonalidade e as sombras assumidas pelos objetos nas fotografias serão função do processo de interação da REM com esses mesmos objetos, assim como já discutido anteriormente. A escala das fotografias exerce influência direta na definição das formas, das texturas, dos tamanhos e no contexto assumidos pelos objetos. Sob ponto de vista espectral, os filmes fotográficos atuam em regiões relativamente extensas do espectro eletromagnético, o que lhes confere resoluções espectrais grosseiras quando comparados com os sensores eletro-ópticos (que serão apresentados a seguir). 3.6 Sistemas sensores: imageadores eletro-ópticos Sistemas imageadores A principal diferença entre os sistemas fotográficos e os sistemas imageadores eletro-ópticos reside no fato de que estes podem produzir um sinal elétrico o qual pode ser transmitido a uma estação remota. Enquanto os sensores fotográficos possui um detetor fotoquímico (o filme), os sensores imageadores eletro-ópticos possuem detetores capazes de transformar a radiação eletromagnética em um sinal elétrico. Se for abstraída a diferença entre os tipos de detetores, os sistemas imageadores eletro-ópticos possuem basicamente os mesmos componentes de um sistema fotográfico, ou seja, um sistema coletor de energia composto por lentes e espelhos, cuja principal função é concentrar a radiação proveniente do objeto sobre um detetor. Para o caso dos sistemas fotográficos, a resolução espectral é dada pela sensibilidade espectral do filme fotográfico utilizado, enquanto que a resolução espacial é dependente do tamanho dos sais de prata. Nos sistemas eletro-ópticos, a resolução espectral é dependente da sensibilidade espectral de detetores, geralmente constituídos por ligas metálicas que têm a propriedade de traduzirem determinados valores de radiância em pulsos elétricos; enquanto que a resolução espacial é função do tamanho do elemento de resolução da cena, corriqueiramente denominado de pixel (Picture Element). Para melhor entender do que estamos tratando, observemos a Figura 3.14 que ilustra a configuração básica de um sistema imageador. Como pode ser observado nessa figura, a radiação proveniente de um pixel da superfície terrestre passa através de um telescópio (um conjunto de lentes que permite focalizar a radiação proveniente de um pixel do terreno sobre um espelho giratório, o qual reflete a radiação para um sistema ótico a partir do qual ela é direcionada para uma grade dicrômica com a propriedade de 27

28 dividir a radiação em dois grandes conjuntos no tocante ao comprimento de onda: radiação solar refletida; radiação solar emitida. A radiação solar refletida é dividida em seus diferentes comprimentos de onda através de um prisma, e detectada e amplificada pelos detetores e préamplificadores. A radiação termal por sua vez e direcionada aos detetores e pré-amplificadores. Toda a informação passa por um sistema de controle eletrônico que a direciona para os diferentes sistemas de registro. Fig Configuração básica de um sistema imageador Como pode ser observado na Figura 3.14, o telescópio controla o campo instantâneo de visada do sensor (instantaneous field of view IFOV), o qual representa a porção do terreno projetada sobre o detetor a cada instante. O IFOV é uma variável muito importante do sistema sensor visto que ele interfere na resolução espacial das imagens geradas. Para uma dada altura de vôo, o IFOV está relacionado diretamente com o tamanho do pixel e inversamente com a resolução espacial. Quanto maior o IFOV, maior o tamanho do pixel e menor a resolução espacial. O IFOV pode ser utilizado para calcular a resolução espacial da imagem a partir da equação 3.4: D = Hβ...(3.4) Onde: D= diâmentro do elemento de amostragem no terreno (em metros) H= altura da plataforma β = IFOV ( em radianos) O IFOV é uma medida angular e é determinado através da equação 3.5: 28

29 IFOV = D/f radianos...(3.5) Onde: D= dimensão do detetor f= distância focal Pode-se também determinar a dimensão linear do IFOV a partir da equação 3.6: IFOV = HD/f metros...(3.6) Onde D= dimensão do detetor H= altura da plataforma F = distância focal. focal. A Figura 3.15 ilustra a relação entre IFOV, altura da plataforma e distância Fig Ilustração do conceito de IFOV O espelho giratório é acionado por um pequeno motor e é mantido a um ângulo de 45 o, de tal forma que à medida em que gira, ele varre uma faixa do terreno perpendicularmente ao deslocamento da plataforma. O comprimento da linha de varredura determina o Campo de Visada do Sensor (Field of View). Para um dado FOV, o comprimento da linha de varredura determina a largura da faixa imageada pelo sensor e depende da altura da plataforma. O tempo de varredura (ou seja a velocidade do espelho giratório) deve ser ajustada à velocidade de deslocamento da plataforma. A radiação refletida geralmente é detectada por detetores de silício. A radiação termal é geralmente detetada por detetores de antimoneto de índio (sensível à radiação entre 3 e 5 µm), ou de telureto de mercúrio e cádimio (sensível á radiação de 8 a 14 µm). Todos os detetores 29

30 termais precisam ser resfriados á temperaturas de 243 o C o que é feito a partir do uso de hélio ou nitrogênio líquido. O tipo e o sistema de registro de um sistema imageador depende da tecnologia utilizada. A maioria dos sistemas aerotransportados possuem um tubo de raios catódicos que permite que o operador observe os dados na medida em que são adquiridos. Alguns sistemas possuem também subsistemas de registro analógico dos dados em filmes. Outros sistemas registram os sinais eletricos diretamente em fitas magnéticas, outros sistemas, os mais modernos, permitem a conversão dos sinais analógicos em digitais antes de serem armazenados ou trasmitidos telemetricamente. Conforme mencionado anteriormente, a resolução espacial destes sistemas eletro-ópticos é dependente do tamanho do pixel. A Figura 3.16 apresenta uma cena imageada com quatro diferentes resoluções espaciais. À medida que o tamanho do pixel aumenta, a imagem resultante apresenta-se menos definida, o que implica em concluirmos que quanto maior o tamanho do pixel, menor a resolução espacial do sensor. 1m 2m 3m 5m Fig Simulação de dados de sensoriamento remoto orbital (resoluções 1m, 2m, 3m e 5m). Fonte: Jensen (1995), p.9 As alterações da escala destas imagens também difere um pouco do procedimento adotado com os filmes fotográficos. Aqui, imaginando uma imagem gerada a partir de um sistema eletro-óptico e visualizada em uma tela de um computador na escala de 1: Para alterarmos essa escala para 1:50.000, por exemplo, ocorrerá um processo denominado de reamostragem, no qual alguns pixels de cada linha gerada no imageamento serão retirados da imagem e seus vizinhos passarão a ocuparem seus lugares, dando a impressão de que os objetos 30

31 contidos na cena aumentam de tamanho, mas em realidade, o que está de fato acontecendo é a perda de informação Tipos de imageadores Os sistemas imageadores podem ser grosseiramente classificados em três tipos: imageadores de quadro; matriz linear de detetores, e varredores mecânicos. A Figura 3.17 ilustra as principais diferenças de configuração desses diferentes tipos. Fig Tipos de Sistemas Imageadores (Adaptado de Elachi, 1987) Os imageadores de quadro são os mais antigos e se desenvolveram a partir dos sistemas de televisão. Tais sensores possuem um sistema óptico grande angular que focaliza toda a energia proveniente da cena sobre um tubo foto-sensível. Ao contrário do esquema de imageamento da Figura 3.16, em que a imagem é vista e construída ponto a ponto, no sistema de quadro, a imagem é formada instantaneamente sobre o tubo foto-sensível. Essa imagem é então varrida por um feixe de eletróns e é convertida em sinal. As superfícies foto-sensíveis que formavam o tubo desses sistemas eram limitadas a radiação visível o que reduzia problemas de difração da luz e permitia um longo tempo de exposição o que garantia melhor definição do sinal recebido. Um exemplo dos sistemas de quadro são as câmaras RBV ( Return Beam Vidicon ) que operavam a bordo dos três primeiros satélites da série Landsat. Mais informações sobre a configuração do sistema podem ser obtidas em Slater (1980). Esse tipo de sistema sensor foi substituído amplamente pelos sistemas de varredura mecânica e pelos sistemas baseados em matrizes de detetores. As principais limitações tecnológicas que o tornaram superado foram: 1) sensibilidade espectral limitada; 2) precisão radiométrica limitada. 31

32 Os sistemas de varredura mecânica compõem-se basicamente de um espelho giratório que varre a superfície imageada e focaliza a energia proveniente do solo sobre um detetor pontual. Assim sendo, a imagem é construída ponto a ponto a cada variação instantânea da posição do espelho. Os imageadores baseados em matrizes lineares de detetores utilizam sistemas ópticos de grande campo de visada, o que permite que toda a faixa perpendicular ao deslocamento da plataforma seja imageada instantaneamente. A medida que a plataforma se move ao longo da órbita, linhas sucessivas são imageadas pela matriz linear e amostradas por um multiplexador responsável pela transmissão dos sinais. Esse sistema tem diversas vantagens dentre as quais a possibilidade de um maior tempo de integração do sinal em cada detetor, o que aumenta a razão sinal/ruído (nível de ruído do detetor baixo em relação ao sinal registrado). Outra característica interessante é a ausência de partes móveis (tais como o espelho giratório) sujeitas a desgaste mecânico ao longo do tempo de operação do sensor. O sistema apresenta também algumas desvantagens, dentre as quais o grande número de detetores envolvidos e necessidade de intercalibração entre eles e aumento da necessidade de processamentos para correção radiométrica dos dados. A Tabela 3.2 permite comparar os três sistemas de imageamento eletro-óptico, suas vantagens e desvantagens. Tabela 3.2 Comparação entre os diferentes sistemas de imageamento (Fonte: Elachi, 1987) Tipo Vantagem Desvantagem Sistema de Quadro (varredura eletrônica) Baixa resolução espectral Dados em formato digital Limitação da área da superfície foto-sensível Varredura Mecânica Matriz Linear de Detetores (pushbroom) Detetores Boa fidelidade geométrica Detetores simples Sistema ótico de pequeno campo de visada Ampla capacidade de cobertura perpendicular ao deslocamento da aeronave Possibilidade de alta resolução espectral. Grande tempo de integração para cada detetor Grande fidelidade geométrica perpendicularmente ao deslocamento da plataforma Pequeno tempo de integração do sinal. Partes móveis Mais susceptível a distorções geométricas. Sistema ótico com amplo campo de visada (mais pesado, mais sujeito a distorções óticas). Um dos elementos críticos dos sistemas imageadores são os detetores. Há dois tipos básicos de detetores: os detetores térmicos e os detetores quânticos. Nos detetores térmicos, a energia radiante é absorvida e convertida em energia calorífera. O aquecimento sofrido pelo detetor é proporcional a energia absorvida, e provoca mudança na resistência, no caso de piranômetros e bolômetros, ou de voltagem no caso de um termopar. Os detetores quânticos respondem diretamente ao número de fótons incidentes, embora também seja sensível à energia do fóton. Existem diferentes tipos de detetores quânticos tais com os detetores fotovoltáicos, fotocondutores e fotoemissores. Um detetor fotovoltáico consiste de uma célula em que duas substâncias distintas encontram-se em contato. A luz incidente sobre a célula gera uma diferença 32

33 de potencial elétrico entre as duas substâncias e como conseqüência, gera uma corrente elétrica proporcional à diferença de potencial. Os fotocondutores se baseiam na descoberta de que a condutividade de certos materiais aumenta com a incidência de radiação eletromagnética. Como a condutividade aumenta proporcionalmente à energia incidente, a corrente elétrica produzida pelo fotocondutor é proporcional a energida detectada. Os fotoemissores, também chamados de detetores fotoelétricos, consistem de um tubo de vácuo contendo um eletrodo carregado positivamente (anodo) e um eletrodo carregado negativamente (catodo). Quando a luz incide sobre catodo os fótons, desalojam os eletrons da superfície. Esses eletrons são conduzidos até o anodo gerando um corrente. A Figura 3.18 mostra uma relação de alguns detetores e suas faixas de atuação dentro do espectro eletromagnético. UV Visível Infraverme lho proximo Infravermelho médio Olho humano Filme pancromático Filme infravermelho colorido RBV Tubo fotomultiplicador Fotodiodo de silício Infravermelho termal Infravermelho distante Telureto de Mercúrio-cadimio Antimoneto de índio 0,3 0,4 0,6 0,8 1,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10, Comprimento de onda (µm) Fig Detetores e suas respectivas faixas de sensibilidade (Adaptado de Slater, 1980). 3.7 Sistemas sensores: RADAR 3.7.1Conceitos básicos A palavra RADAR é um acrônimo da expressão Radio Detection ad Ranging, (que poderia ser traduzido grosseiramente por detecção de ondas de radio e de distâncias). Um RADAR executa três funções básicas: 1) ele transmite um pulso de microondas em direção a um alvo; 2) ele recebe a porção refletida do pulso transmitido após este haver interagido com o alvo (a porção refletida recebe o nome de energia retro-espalhada); 3) ele registra a potência, a variação temporal e o tempo de retorno do pulso retro-espalhado. A configuração básica de um sistema RADAR pode ser observada na Figura

34 Fig Configuração básica de um sistema RADAR O sinal retro-espalhado pelo alvo é influenciado pelas características do pulso incidente (comprimento de onda, polarização), pela geometria do sistema radar em relação à superfície terrestre, a geometria local, ou seja a geometria do pulso em relação ao alvo. O sistema RADAR transmite um pulso de microondas numa direção perpendicular ao deslocamento da plataforma. A direção de transmissão do pulso é conhecida como range ou alcance. O sensor é capaz de determinar as distâncias relativas dos objetos da superfície ao longo dessa direção a partir da análise do tempo que a pulso emitido leva para viajar até o objeto e retornar ao sensor. O sinal proveniente de um objeto localizado mais próximo ao sensor levará menos tempo para retornar do que um objeto localizado mais distante. A imagem de RADAR é construída na medida em que a plataforma avança e sucessivos pulsos são transmitidos e recebidos pela antena, como pode ser observado na Figura Fig Processo de imageamento através de um sistema RADAR Como anteriormente mencionado, os sistemas RADAR medem a distância e a potência recebida de pulsos emitidos por um antena. Esses pulsos de energia transmitidos pelas 34

35 antenas de radar se caracterizam por ondas eletromagnéticas com comprimentos que variam de 1m a 1mm (ou freqüências entre 0,3 GHz e 300 GHz). Do ponto de vista das atividades de sensoriamento remoto, o fato dos sistemas de RADAR operarem nesses comprimentos de onda, traz algumas vantagens: As microondas são passíveis de penetrarem núvens, chuva, fumaça e neblina. Em comprimentos de ondas menores (6 cm) chuvas e núvens espessas podem afetar o sinal de radar; As microondas são sensíveis a propriedades distintas daquelas que afetam a radiação na região do visível e infravermelho. As imagens de radar apresentam informações que são qualitativamente e quantitativamente diferentes daquelas registradas em imagens ópticas, sendo portanto, complementares àquelas. Ao contrário dos sistemas ópticos, os sensores de microondas operam em bandas específicas para as quais foram associadas letras. As bandas em uso atualmente encontram-se resumidas na Tabela 3.3. Tabela 3.3 Bandas de operação de sistemas RADAR e suas aplicações (Fonte:RADARSAT, 1997). Banda Comprimento de onda Freqüência Principal Aplicação (cm) (GHz) X 2,4-3,8 8,0-12,5 Reconhecimento militar, reconhecimeno de terreno C 3,8-7,5 4,0-8,0 Monitoramento de gelo e aplicações oceanográficas. S 7,5-15,0 2,0-4,0 Reconhecimento de terreno L 15,0-30,0 1,0-2,0 Mapeamento de cobertura vegetal P 75,0-133,0 0,225-0,400 Mapeamento de cobertura vegetal Geometria de imageamento RADAR A geometria de imageamento, ou geometria entre o sensor SAR e a superfície pode ser descrita pelos seguintes parâmetros ilustrados na Figura Fig Geometria de imageamento RADAR. (Adaptado de RADARSAT, 1997). 35

36 Altura: representa a distância vertical entre a plataforma e um ponto da superfície terrestre imediatamente abaixo dela. A altura nominal dos satélites de sensoriamento remoto se refere à altura acima do elipsóide de referência que representa o nível médio do mar. Nadir: representa o ponto imediatamente abaixo da plataforma. Azimute: representa a direção no terreno paralela ao movimento do satélite. Vetores de range(ou alcance): representam vetores que conectam o radar aos elementos do terreno correspondentes a cada medida de distância a cada instante em que o pulso de microondas é transmitido. Distância inclinada ( slant range ): representa a distância do sensor ao alvo ao longo da direção de range (ou distância perpendicular ao deslocamento da plataforma), também conhecida por distância percebida pelo RADAR) Distância no terreno ( ground range ): representa a distância inclinada projetada sobre a superfície terrestre, também conhecida por distância real ou distância geográfica. Near range (Alcance Próximo): região mais próxima ao ponto nadir. Far range (Alcance Distante): região mais distante do ponto nadir. Largura da Faixa ( swath width ): representa a largura da faixa imageada na direção perpendicular ao deslocamento da plataforma. Comprimento da Faixa ( swath length ): representa a distância imageada na direção azimutal. Ângulo de iluminação: representa o ângulo entre o vetor normal a Terra e o vetor de range medido na posição do RADAR. Este ângulo determina a distribuição da iluminação do radar através da faixa imageada. A medida que a altura do radar aumenta, o ângulo de iluminação correspondente a largura da faixa (range) diminui. local. Ângulo de incidência: representa o ângulo entre os vetores de range e vertical Tipos de sistemas RADAR Existem basicamente dois tipos de sistemas RADAR. O mais antigo, e já fora de funcionamento é o Radar de Abertura Real. Os radares de abertura real são configurados de tal modo que a resolução espacial na direção azimutal seja proporcional à distância entre o sensor e a superfície. A largura do feixe da antena (b) determina a resolução espacial na direção azimutal. Assim sendo o tamanho do pixel varia em tamanho do near range para o far range. Nos sistemas de abertura real a resolução diminui com a diminuição da distância do pulso à antena. A Figura 3.22 ilustra o efeito da distância em range sobre a resolução azimutal nos sistemas de abertura real. 36

37 Ângulo de depressão da antena β GD1 GD2 Fig Dependência da resolução espacial em azimute da largura do feixe. A largura do feixe produzido pela antena (β) determina a resolução espacial na direção Azimutal (Sra). Esta resolução é calculada a partir da equação 3.7: Sra= GD β...(3.7) Onde: GD= Distância em range β = Ângulo da antena O grande problema dos radares de abertura real é o de que o ângulo β dependia do tamanho físico da antena, conforme pode ser deduzido pela equação 3.8: λ β =...(3.8) ΑL onde: β= ângulo de abertura da antena λ= comprimento de onda da radiação transmitida pela antena. AL= comprimento da antena Como se pode deduzir da equação 3.8, para haver uma redução do ângulo de abertura da antena, é necessário aumentar o comprimento da antena, o que é fisicamente impossível a partir de uma certa dimensão. A resolução espacial em range depende da duração do pulso transmitido. Esta resolução representa a metade da duração do pulso. Se dois campos estão distanciados entre si na direção de range por uma distância menor que a metade da duração do pulso, o primeiro pulso transmitido pela antena terá alcançado o campo mais distante e estará retornando ao mesmo tempo que o pulso emitido pela antena e refletido pelo alvo estará retornando também. Com isso, os dois sinais se misturarão e não será possível resolver os dois campos como alvos distintos. 3.9: A resolução espacial na direção de range é dada por (SRr) conforme equação 37

38 c t SRr = (3.9) 2 cos γ onde γ = é o ângulo de depressão da antena t= é o comprimento do pulso c= velocidade do pulso de microondas, que é a velocidade da luz. Com o desenvolvimento tecnológico o sistema RAR (Radar de Abertura Real) foi substituído pêlos modernos SAR (Sinthetic Aperture Radar SAR) ou Radares de Abertura Sintética. O SAR representa um modo engenhoso de se superar o problema do tamanho físico da antena a partir da síntese de uma antena virtual a partir do registro acumulado dos sinais de retorno de cada objeto da antena durante o período em que ela se desloca sobre uma dada região do terreno. Uma vez que o pulso tenha passado sobre um ponto do terreno, toda a informação de fase sobre aquele ponto é armazenada em uma matriz bidimensional (range e azimute). Todas as histórias de fase de todos os pontos da imagem são combinadas numa série temporal que forma o dado sintético. Através de um processamento complexo esta assinatura de fase de cada ponto é tranformada em informação de azimute e range. Mais informações sobre o processamento de sinal de um radar de abertura sintética pode ser encontrado em Oliver e Quegan (1998). Atualmente, os sistemas de RADAR possuem a chamada antena de abertura sintética o que permite que estes sistemas possam ser colocados em plataformas orbitais produzindo resoluções espaciais da ordem de poucos metros Interações entre a radiação de micro-ondas e a superfície terrestre Em geral, quanto mais organizado é o processo de transformação (em oposição a aleatório), mais coerente é o espectro de radiação gerado (coerente no sentido de pequena faixa de variação de freqüências). Assim sendo, o espectro de emissão do Sol, resultante de reações nucleares, é muito mais complexo do que o espectro de emissão de uma antena que produz um pulso de microondas (Elachi, 1987). A energia eletromagnética neste espectro de freqüência é usualmente gerada por correntes alternadas impostas sobre materiais metálicos (antenas, por exemplo). A corrente alternada gera um campo elétrico e um campo magnético que se propaga à velocidade da luz (Elachi, 1987). Assim como em outras regiões do espectro eletromagnético, a radiação de microondas apresenta uma série de características específicas de interação com a matéria que a diferencia de outras regiões do espectro. Dentre as características da radiação de micro-ondas destacam-se: Sensibilidade à estrutura macroscópica dos materiais Sensibilidade a propriedades elétricas dos materiais As interações entre a radiação de micro-ondas e os objetos da superfície terrestre são afetadas por dois grandes conjuntos de variáveis: 38

39 Variáveis ligadas ao sistema radar tais como: comprimento de onda, ângulo de incidência do pulso de micro-ondas, direção de imageamento, polarização, resolução. umidade, etc Variáveis do sistema Variáveis ligadas ao objeto imageado tais como rugosidade, dimensão, Comprimento de Onda O comprimento de onda é uma variável importante por quê controla o coeficiente de retro-espalhamento e a profundidade de penetração da radiação nos objetos da superfície. A constante dielétrica dos objetos varia com a freqüência da radiação incidente, a qual afeta o coeficiente de retro-espalhamento. Para uma superfície com rugosidade constante, há um aumento do espalhamento segundo à quarta potência da frequência (Elachi, 1987). A profundidade de penetração da radiação de microondas também é afetada pela frequência. Para a maioria dos materiais da superfície terrestre a profundidade de penetração varia linearmente com o comprimento de onda. Assim sendo, a profundidade de penetração da radiação na faixa de 20 cm é 10 vezes maior do que de radiação na faixa de 2 cm. Assim sendo, a profundidade de penetração da banda L é 10 vezes maior do que a da banda X. Isto explica também por quê a banda L é menos afetada pela atmosfera do que a banda X. Ângulo de Incidência O ângulo de incidência pode ser definido como o ângulo formado entre o vetor de range e a direção vertical local. Como a faixa imageada pelo radar recobre uma ampla região do terreno, suas imagens estão sujeitas a diferenças de retro-espalhamento em função da distância (e portanto do ângulo) entre a plataforma de aquisição e o objeto imageado. A região mais próxima à antena (near-range) tende a produzir valores mais elevados de retroespalhamento do que a região distante da antena (far-range) em decorrência das modificações no ângulo de incidência local. Direção de Imageamento A direção de imageamento se refere á orientação geométrica do feixe transmitido em relação a feições lineares do terreno como culturas agrícolas, acidentes topográficos e lineamentos geológicos. Quando a direção de imageamento é perpendicular à feição linear há um aumento da interação entre ela e a frente de onda. Com isto, há um aumento no coeficiente de retro-espalhamento. Ao contrário, quando a feição linear é paralela á feição do terreno, há menor interação entre ela e a radiação incidente, havendo consequentemente uma redução no coeficiente de retro-espalhamento. Polarização Para um sistema radar, a polarização se refere á orientação do campo elétrico em relação a um certo plano de referência. A maioria das antenas de radar são construídas de modo a transmitirem e receberem ondas polarizadas linearmente, seja horizontalmente ou seja verticalmente. Uma onda é transmitida verticalmente polarizada quando a antena é orientada de modo que o campo elétrico ocupe o plano definido pelo vetor perpendicular à superfície da Terra (geóide) e o vetor de range. A onda é transmitida horizontalmente polarizada quando é orientada perpendicularmente àquele plano. Quando a onda é transmitida ela pode ser despolarizada ao interagir com a superfície, ou pode manter o seu estado de polarização. O grau de despolarização da onda 39

40 depende das características dos objetos da superfície e pode ser utilizado para sua discriminação. Para aproveitar esta propriedade dos alvos, as antenas de radar são também construídas de modo a receber a radiação de retorno segundo um dado plano de polarização. Assim sendo, os sistemas que emitem e recebem onda polarizada no plano vertical são conhecidos como sistemas de polarização VV (este é o caso do ERS-1 e 2), os sistemas que emitem e recebem onda polarizada no plano horizontal são conhecidos como sistemas de polarização HH (este é o caso do RADARSAT e do JERS-1). Alguns sistemas experimentais também podem operar com polarização cruzada, ou seja, transmitem segundo uma polarização e recebem segundo a polarização oposta (este é o caso do SAR do Convair 580 do CCRS, e do AirSAR da NASA- JPL). Resolução Espacial A resolução espacial é uma das variáveis mais importantes para a determinação do conteúdo de informação das imagens de radar. A resolução é definida como a habilidade do sensor identificar dois alvos próximos como pontos distintos. No caso dos sistemas de radar existem dois tipos de resolução espacial, a resolução na direção azimutal e a resolução na direção de range. A resolução azimutal é definida pelo processamento de sinal tal que nos sistemas de abertura sintética (SAR) ela se torna independente do tamanho da antena. A resolução na direção de range é determinada pelo largura do pulso transmitido e por sua duração Variáveis ligadas ao objeto imageado Forma Geométrica A forma geométrica dos objetos pode alterar a quantidade de energia retroespalhada. Dentre as variáveis que descrevem a forma dos objetos destacam-se a altura, porcentagem de recobrimento do substrato, etc. No caso de culturas por exemplo, a altura das culturas interfere na profundidade de penetração e portanto na proporção de retro-espalhamento associado a ela e ao seu substrato. Há alguns mecanismos específicos de espalhamento decorrentes da forma dos alvos cujo sinal de retorno é desproporcional a seu tamanho. Alvos pontuais coerentes permitem que uma grande fração da radiação seja retro-espalhada sem que o sinal seja afetado por interferência destrutiva. Sinais coerentes de retorno são originários por processos de espalhamento simples tais como os de reflexão especular. Quando a geometria da superfície é adequada, processos de espalhamento múltiplo coerente pode produzir sinais de retorno muito intensos também. Alvos deste tipo são normalmente classificados como refletores de canto (corner reflector) que podem ter a forma de um triedro ou de um diedro. O retorno de um diedro é apenas intenso quando a superfícies refletoras são perpendiculares à direção de iluminação. As reflexões mais intensas são causadas por refletores em forma de triedro. Os principais exemplos de refletores de canto são as construções humanas tais como pontes, torres, postes de luz junto a superícies líquidas, etc. Rugosidade da superfície A rugosidade é sempre definida em termos da variação estatística da altura e largura das irregularidades da superfície. Esta rugosidade pode ser expressa em termos de desvio médio da variação da altura e largura das irregularidades. Constante Dielétrica A constante dielétrica é uma medida das propriedades dielétricas dos materiais, incluindo o grau com que absorve, reflete e transmite micro-ondas em resposta à radiação 40

41 incidente. O índice de refração dos materiais varia com a raiz quadrada da magnitude da constante dielétrica. Assim sendo, materiais com elevada constante dielétrica interagem ativamente com as micro-ondas aumentando o coeficiente de retro-espalhamento. A intensidade do sinal de retorno é portanto dependente da constante dielétrica dos materiais, da distribuição de elementos espalhadores e do número de partículas espalhadoras. Quando esses elementos se mantém constante, os materiais com elevadas constantes dielétricas apresentam maior retroespalhamento e portanto apresentam uma aparência mais clara nas imagens. De modo geral, na natureza a água, a vegetação verde, os metais, os sais possuem elevada constante dielétrica, enquanto a areia, vegetação morta, solos secos possuem baixa constante dielétrica. 4. Comportamento Espectral de Alvos O termo Comportamento espectral de alvos tem sido atribuído pelos profissionais que atuam na aplicação do SR no estudo dos recursos naturais, como ao estudo da Reflectância espectral destes recursos, quer sejam: vegetação, solos, minerais e rochas, água, etc. Em termos mais abrangentes, estudar como um objeto se comporta espectralmente, deveria contemplar os três fenômenos já mencionados que ocorrem após a indicência da REM sobre um dados objeto: reflexão, transmissão e absorção. Assim, o comportamento espectral de um alvo só é plenamente compreendido quando são estudadas suas propriedades de refletir, transmitir e absorver a REM. Contudo, serão enfatizadas aqui as propriedades de reflexão dos alvos (recursos naturais), uma vez que a maioria dos sensores atualmente disponíveis para o estudo dos recursos naturais, utilizam a REM refletida por eles. A caracterização de como e de quanto um objeto reflete de REM pode ser feita em diversos níveis e formas. Nos primeiros estão incluídos os chamados níveis de aquisição de dados, os quais podem ser de laboratório, campo, aéreo e orbital. Em cada um destes níveis podem ser adotadas variadas formas, as quais incluem as chamadas geometrias de iluminação e de visada. A primeira refere-se ao posicionamento espacial da fonte de REM em relação ao objeto, enquanto que a segunda refere-se ao posicionamento espacial do sensor. Os níveis e as formas condicionam as caracterizações tornando seus resultados específicos para as situações nas quais foram concebidos. Este fato torna imprescindível que em qualquer caracterização da Reflectância espectral de um objeto, sejam bem descritas as condições de iluminação e visada adotadas, tanto no que se refere aos domínios espacial, espectral, temporal e ainda das suas geometrias. Os aspectos que serão apresentados a seguir referem-se às características básicas dos principais recursos naturais em refletir a REM sobre eles incidente. A Figura 4.1 ilustra um gráfico contendo as curvas de Reflectância de alguns recursos naturais e de alguns artefatos feitos pelo Homem. Como pode ser observado nesta Figura 4.1, na região do visível (0,4 a 0,7 µm) a maioria das curvas dos alvos apresentados encontram-se muito próximas entre si, em contraste com um maior distanciamento entre elas na região espectral (infravermelho próximo, de 0,7 a 0,9 µm). Isto indica que na região do visível, os alvos apresentam-se parecidos, enquanto que na região do infravermelho eles podem ser mais facilmente individualizados. Nos pontos de intersecção entre as curvas, os quais ocorrem com alguma frequência em pontos específicos do espectro, diz-se que os alvos apresentam a mesma Reflectância, ou seja, eles assumem uma mesma aparência quando observados mediante alguma técnica de SR. 41

42 Fig. 4.1 Gráfico contendo as curvas de Reflectância para alguns recursos naturais. Estas curvas de Reflectância são curvas médias que somente ilustram as formas típicas dos alvos apresentados refletirem a REM sobre eles incidente. Servem então somente de base para formar uma idéia da reflexão destes alvos, não sendo possível sua generalização, uma vez que também não foram fornecidas informações adicionais sobre as condições (geométricas e dos próprios alvos) adotadas quando foram geradas. Esta forma típica é geralmente referenciada com o termo Assinatura Espectral. Através da análise de curvas como estas apresentadas na Figura 4.1, pode ser prevista a aparência de alvos em produtos de SR, tais como imagens orbitais e/ou fotografias aéreas. Esta aparência é expressa pela tonalidade (clara ou escura) assumida pelos alvos e dependendo do tipo de produto, ela ainda pode ser expressa pela cor e pela textura. O conhecimento sobre o comportamento espectral de alvos é portanto fundamental para a extração de informações a partir de produtos de SR, quer sejam fotografias, ou imagens. 4.1 Comportamento espectral da água Para estudar qualquer fenômeno, o primeiro passo, e o mais importante é definir com clareza o que se está estudando. Uma estratégia geralmente adotada para se definir um objeto de estudo é identificar as diferenças e as semelhanças que este objeto de estudo tem em relação a outros objetos. Se as semelhanças forem maiores que as diferenças, talvez, este objeto não seja merecedor de uma abordagem especial. Se as diferenças forem relevantes, então, este objeto merecerá um tratamento diferenciado. Por isso, neste tópico estaremos tentando identificar as diferenças entre a Água e os demais alvos estudados no âmbito do sensoriamento remoto da superfície terrestre. Estes alvos principalmente estudados quando da aplicação das técnicas de sensoriamento remoto no estudo dos recursos naturais são: Solos, Rochas, Culturas Agrícolas, Vegetação, Água. Uma coisa intrigante é a distinção entre culturas 42

43 agrícolas e vegetação, por que tanto um quanto outro têm como matéria de estudo as plantas que revestem a superfície terrestre, sejam elas plantas cultivadas pelo homem, sejam elas nativas. A explicação para essa distinção reside no fato de que ao impor um padrão de organização às culturas agrícolas, que se adaptam a um calendário agrícola, a práticas culturais especializadas, etc., o homem altera o seu comportamento espectral. Portanto, já podem ser identificados pelo menos dois elementos de distinção entre o alvo Água e o Alvo Culturas Agrícolas. O Alvo Culturas Agrícolas, é composto por um arranjo complexo de plantas, práticas agrícolas, solos subjacentes, etc. As plantas tem um ciclo de vida que varia de uma espécie para outra e que se manifesta através de características morfológicas distintas ao longo do ano. Diferentes plantas se adaptam a diferentes solos, formando um complexo solo-planta com características próprias ao longo do ano. Outra característica que distingue o alvo Água dos outros alvos estudados é o seu estado físico. Os solos, as plantas, as rochas são todos alvos sólidos. Á água é um alvo líquido. O fato de a água ser um alvo líquido traz inúmeras conseqüências à interação energia/matéria. Fixando-se nesses aspectos, a título de exercício, é interessante listar outras diferenças entre a água e os demais alvos de interesse para o sensoriamento remoto da superfície terrestre. Uma característica dos corpos d água que o tornam particularmente distintos dos demais alvos estudados refere-se à sua reflectância média. Observando a Figura 4.2, na qual encontra-se destacada uma porção de uma imagem orbital do sensor TM/Landsat 5, referente a uma área da Usina Hidroelétrica de Tucuruí, conclui-se que a porcentagem de energia refletida pela água é muitas vezes menor que a porcentagem de energia refletida pelos demais alvos da superfície terrestre, pelo menos nas três regiões do espectro consideradas na elaboração desta composição colorida (vermelho, infravermelho próximo e infravermelho médio). Isso pode ser concluído devido à tonalidade escura assumida pela água nessa composição colorida, indicando pouca energia reflectida por esta nas três regiões espectrais em questão. Água Figura 4.2 Sub-cena de uma composição colorida das bandas 3 (Vermelho), 4 (Verde) e 5 (Azul) do sensor Thematic Mapper que mostra a porção oeste do reservatório da Usina Hidroelétrica de Tucuruí, próximo á cidade de Novo Repartimento. Mesmo se observando a água na região do visível, em que há um maior volume de energia disponível para interagir com o corpo d água, a porcentagem de energia refletida pelos corpos d água é relativamente menor que aquela refletida pelos demais alvos. A Figura 4.3 representa uma composição das bandas 1 (azul), 2 (verde), 3 (vermelho) do sensor Thematic 43

44 Mapper do satélite Landsat 5 após sofrer processamento para realçar as diferenças de cor da água do reservatório de Barra Bonita, Estado de São Paulo. Figura 4.3 Composição colorida dos canais 1 (azul), 2(verde) e 3 (vermelho) do sensor Thematic Mapper do satélite Landsat-5. O que se observa nessa composição é que muitas das massas de água do reservatório de Barra Bonita, apesar de a cena ter sido realçada para ampliar ao máximo o contraste do corpo d água (o que provocou a saturação dos demais alvos), apresentam porcentagens de reflectância muito baixas, associadas ao preto. Os corpos d água se distinguem, portanto, dos demais alvos por apresentarem, em geral, baixas porcentagens de reflectância, o que implica em baixas radiâncias, e portanto, baixa probabilidade de que as diferenças detectadas pelos sensores estejam acima do ruído do sensor, para a maioria dos sensores de primeira e segunda geração e para a maioria dos sensores de alvos terrestres, como é o caso dos sensores TM/Landsat e HRV/SPOT. A diferença mais crucial entre o estudo do comportamento espectral da água e dos demais alvos é que, quando se estuda o comportamento de uma rocha, o que se busca é conhecer as propriedades daquela rocha, mas quando se estuda o comportamento da água, o que se busca conhecer não é a água-objeto-em-si-mesmo, mas os componentes que se encontram nela dissolvidos ou nela suspensos. Portanto, o estudo do comportamento espectral da água, é usado como indicador do comportamento de um sistema muito mais complexo que é o sistema áquático. Todas essas diferenças tiveram conseqüência no estudo do comportamento espectral da água. A primeira conseqüência foi a de que durante muitos anos não existiam instrumentos suficientemente sensíveis que permitissem detectar diferenças sutis na porcentagem refletida pêlos diferentes corpos d água. Enquanto as pessoas saiam pelos campos medindo a reflectância dos solos, das rochas, das plantas sob as mais diferentes condições, um ou outro pesquisador tentava desenvolver diferentes arranjos experimentais para tentar medir a energia refletida pela água. As dificuldades para estudar o comportamento espectral da água sempre foram tantas que estudar água se tornou um assunto paradoxalmente árido, levando a que muitos começassem, mas poucos permanecessem entusiasmados com a empreitada após sucessivos resultados pouco satisfatórios. Analisando a bibliografia sobre o assunto observa-se que as pesquisas nesse campo seguiram duas tendências básicas. De um lado existem numerosos trabalhos 44

45 experimentais realizados principalmente pela comunidade ligada a sistemas aquáticos continentais, e por outro lado numerosos trabalhos de simulação e modelagem matemática, realizados por pessoas oriundas da comunidade de oceanógrafos físicos. Essas diferenças de abordagem deste alvo, fez com que a metodologia de aquisição de dados, a nomenclatura, os conceitos utilizados, etc., sejam bastante específicos para o alvo água. Pôr isso, antes de nos aventurarmos pelo estudo do comportamento espectral da água, teremos que nos deter um pouco no estudo de alguns conceitos básicos Propriedades ópticas da água. As propriedade ópticas da água apresentam grande variabilidade no tempo e no espaço em decorrência das propriedades gerais da água. Existe uma forte conexão entre as propriedades ópticas da água e os constituintes da água, e é essa conexão que torna importante a óptica hidrológica e que indica perspectivas otimistas ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos. A Figura 4.4 resume algumas dessas conexões. Fluxo Ascendente Espalhamento Absorção Não Seletivo Particulas > 700 nm Seletivo Partículas < 700 nm Seletivo moléculas d água fitoplâncton substâncias húmicas sais dissolvidos Atenuação Qualidade da Radiação Quantidade da Radiação Figura 4.4 Relações entre as propriedades ópticas da água e a as propriedades biológicas, físicas, e químicas dos sistemas aquáticos. Como se pode observar na Figura 4.4, tem-se de um lado, o fluxo de energia incidente sobre um dado corpo d agua. Esta energia pode alcançar a superfície como um campo de luz direcional, segundo um dado ângulo de incidência e também como um campo de luz difusa oriundo da interação da radiação com a atmosfera. O espectro de radiação que interessa aos processos vitais dos sistemas aquáticos é a radiação conhecida por fotossintéticamente ativa, ou seja, aquela que vai proporcionar a energia necessária para que ocorra a fotossíntese. Essa radiação encontra-se compreendida entre 400 nm e 700 nm. A radiação que atinge a superfície da água, tanto a difusa, quanto a direta, é parcialmente refletida pela água e parcialmente transmitida através da interface ar/água. A proporção da energia que é transmitida ou refletida pela água varia amplamente em função de 45

46 fatores que serão discutidos oportunamente. A maior parte, entretanto, da energia incidente sobre o corpo d água é transmitida pela interface ar/água e fica então a ação de dois processos: a absorção e ao espalhamento. A absorção e o espalhamento são duas propriedade ópticas inerentes da água, por que seus coeficientes variam apenas com as propriedade do meio aquático e não com as propriedades do campo de luz incidente. O espalhamento pode ser seletivo ou não seletivo e é provocado pela própria água e pelas partículas em suspensão na água. A absorção é sempre seletiva e depende dos componentes dissolvidos e em suspensão na água. Estas propriedades serão tratadas mais em detalhe nos próximos tópicos. O fato é que ao penetrar na coluna d água a radiação sofre alterações quantitativas e qualitativas, ou seja, a quantidade de energia inicial vai sendo atenuada a medida que o feixe é transmitido para as camadas mais profundas. Esta atenuação é seletiva e o decaimento da potência é exponencial, ou seja, diminui rapidamente nos primeiros metros e depois mais e mais lentamente, até o limite da zona eufótica. Portanto a quantidade e qualidade da luz submersa a cada nível da coluna d agua está em íntima relação com a composição da água e com seus componentes físicos, químicos e biológicos Absorção no meio aquático A absorção de luz no meio aquático é decorrente da presenças de quatro componentes básicos: a própria água, substâncias dissolvidas na água (substância amarela ou matéria orgânica dissolvida), biota fotossintetizadora (fitoplâncton e macrófitas quando presentes) e partículas não vivas (partículas orgânicas mortas e partículas inorgânicas). Na Figura 4.5 pode-se observar a variação espectral do coeficiente de absorção da água. Através de sua análise pode-se constatar que até em torno de 450 nm, a absorção pela água pura é desprezível e que praticamente toda energia que atravessa a interface ar/água atravessa em quase toda sua totalidade os primeiros metros. Coeficiente de absorção (m- 1 ) 2,5 2 1,5 1 0, Comprimento de onda (nm) Figura 4.5 Coeficiente de absorção da água pura (adaptado de Kirk, 1995). A presença de matéria orgânica dissolvida (gilvin ou substância amarela) é um dos componentes responsáveis pelo aumento do coeficiente de absorção da água. As propriedades de absorção dessas substâncias podem ser determinadas a partir do espectro de absorção de água natural filtrada com filtro de porosidade entre 0, 2 µm e 0,4 µm usando cubas de 5cm a 10cm. A Figura 4.6 ilustra o espectro de absorção por matéria orgânica dissolvida em um lago. 46

47 Coeficiente de Absorção da Matéria Orgânica Dissolvida (m -1 ) Comprimento de Onda (nm) Figura 4.6 Espectro de Absorção de Matéria Orgânica Dissolvida na Água (Fonte: Kirk, 1995). A análise desta Figura 4.6 revela que a presença de matéria orgânica dissolvida na água provoca profundas modificações no processo de absorção da luz no meio aquático. Em primeiro lugar, o máximo de absorção da água com matéria orgânica dissolvida ocorre na região de mínima absorção da água pura. È na região do azul em que se dá o maior contraste na absorção da água pura e da água com altas concentrações de matéria orgânica dissolvida. Os coeficientes de absorção da matéria orgânica dissolvida se eqüivalem numericamente aos coeficientes de absorção da água pura no infravermelho. Na região do verde e vermelho, entretanto, esse coeficiente é bem menor. A Figura 4.7 mostra o espectro de absorção da clorofila para duas concentrações, 50 mg m -3 e 5 mg m -3. Coeficiente de Absorção da Clorofila (m -1 ) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, mg m -3 5mg m Comprimento de onda (nm) Figura 4.7 Coeficiente de absorção da clorofila a diferentes concentrações (Adaptado de Mobley, 1994) O coeficiente de absorção da clorofila tem dois máximos, um na região do azul, em torno de 450 nm e outro na região do vermelho, em torno de 650 nm. Estes máximos estão associados às clorofilas a e b, as quais tem seus picos de absorção em 430 nm e 665nm, respectivamente. A clorofila ocorre abundantemente nas mais diferentes espécies de algas e sua concentração, em miligrama, geralmente é utilizada como uma medida da abundância fitoplâncton. As concentrações de clorofila para os vários tipos de água podem variar de 0, 01 mg m -3 em águas oceânicas claras até 10 mg m -3 em regiões muito produtiva. A presenças de partículas orgânicas e inorgânicas na água também aumentam o seu coeficiente de absorção. Essas partículas em geral apresentam espectro de absorção 47

48 semelhante ao da matéria orgânica dissolvida, mas sua magnitude é bem menor, variando entre 0,3 m -1 a 1,5 m -1 em condições de águas bastante túrbidas O espalhamento no meio aquático O espalhamento no meio aquático é provocado pela própria água e pelas partículas vivas e não vivas em suspensão na água. A Figura 4.8 permite observar a variação espectral do coeficiente de espalhamento da água. Coeficiente de espalhamento x 10-4 (m -1 ) Comprimento de onda (nm) Figura 4.8 Coeficiente de espalhamento da água pura ( Adaptado de Mobley, 1994) Através da análise da Figura 4.8 pode-se constatar que o máximo espalhamento da luz pelo corpo d agua limpa se dá na região do azul. A forma geral do espalhamento pela água caracteriza se por uma redução exponencial do espalhamento em direção a comprimento de ondas mais longos. A forma do espalhamento é semelhante ao espalhamento molecular de Rayleigh. Entretanto a teoria não se aplica a líquidos, visto que neste caso, as moléculas de água não são livres para oscilar como as moléculas na atmosfera. Em líquidos, entretanto, a oscilação contínua e aleatória de moléculas provoca flutuações aleatórias de densidade e portanto em sua constante dielétrica. A interação da luz com essas descontinuidades e não com as moléculas individuais é que seria responsável pelo espalhamento da água pura. À semelhança do espalhamento de Rayleigh para gases, o espalhamento da água pura varia com o inverso da quarta potência do comprimento de onda (b ~1/λ 4 ). As águas naturais contém uma quantidade variável de partículas de tamanhos variáveis (desde moléculas pequenas entre 0,1 nm e 1 nm, até grandes moléculas de tamanhos em torno de 10 nm, e vírus de dimensões ao redor de 100 nm, até animais e peixes. O material particulado encontrado na coluna d água possui duas origens distintas: biológica e física. As partículas de importância ótica são as bactérias, o fitoplâncton, o zooplâncton os quais crescem se reproduzem e morrem, dando origem a partículas orgânicas. As partículas inorgânicas tem sua origem no intemperismo das rochas e solos. As partículas inorgânicas geralmente são as que mais afetam as propriedades óticas da água. As partículas orgânicas ocorrem em diversas formas tais como: Vírus, colóides, bactérias, fitoplâncton, detritos orgânicos, zooplâncton. Embora individualmente vírus e colóides não são espalhadores eficientes de luz visto que suas dimensões são menores do que os comprimentos de onda do visível. Entretanto, estudos recentes mostram que estas partículas, devido à grande concentração com que ocorrem na água, contribuem significativamente para o retro-espalhamento (Mobley, 1994). Estudos recentes também demonstram que as bactérias, cujas dimensões variam entre 0,2 a 1,0 µm de diâmetro, ocorrem 48

49 em grandes concentrações em água natural (10 11 a m -3 ) e que são os mais importantes microorganismos a contribuir para o espalhamento por partículas. O fitoplâncton ocorre em uma grande diversidade de espécies, tamanhos, formas e concentrações. O tamanho das células fitoplanctônicas pode variar entre 1µm e 200µm. Essas partículas são em geral muito maiores do que o comprimento de onda e são espalhadores eficientes da luz. Estudos relatados por Kirk (1996) as partículas responsáveis pela maior proporção do espalhamento no meio aquático possuem diâmetros maiores do que 2 µm., ou seja muito maiores que os comprimentos de onda com que interagem. O espalhamento por partículas maiores que o comprimento de onda da radiação incidente é geralmente explicado pela teoria de Mie (Mobley, 1994, Kirk, 1996) e pôr mecanismos de difração da luz. A principal diferença entre o espalhamento por partículas grandes em relação ao espalhamento pôr partículas pequenas, é que o primeiro é não seletivo, ou seja, é constante para os diferentes comprimentos de onda. Além disso, o espalhamento por partículas grandes é predominante na região frontal. Como o espalhamento é proporcional também ao número de partículas no meio aquático, e como para um mesmo peso de partículas, há maior número de partículas pequenas, em geral, partículas finas resultam em maiores coeficientes de espalhamento. A Figura 4.9a mostra o comportamento espectral de um corpo d água sujeito a concentrações variáveis de sólidos em suspensão. O que se observa é um aumento da reflectância da água em todos os comprimentos de onda. A região mais sensível entretanto, é a região compreendida entre o verde e o vermelho. Isso faz com que em composições coloridas, rios com alta concentração de sólidos em suspensão apresentem a cor amarela, conforme a Figura 4.9 b. 14 FRB (%) SSC (mg/l) nm 550 nm 750 nm 950 nm a b Figura 4.9 Comportamento Espectral da água sob diferentes concentrações de sedimentos em suspensão e Composição colorido normal (TM1 (Azul), TM2 (Verde), TM3(Vermelho). Na Figura 4.9b pode-se observar que a água do rio Madeira tem altas concentrações de partículas em suspensão. A quantificação da quantidade existente nessa exata data requereria, entretanto, calibração das imagens em campo. Observando a mesma figura, podemos verificar que a lagoa ao lado, tem cor tendendo para o marron, ou seja, reflectancia no 49

50 verde e vermelho, mas inferior àquela do rio. Este padrão permite o levantamento de duas hipóteses: a concentração de sólidos é menor na lagoa (em decorrência da decantação); a lagoa tem alta concentração de matéria orgânica dissolvida. Tais hipóteses só podem ser comprovadas em campo, ou com a análise de imagens hiperespectrais. 4.2 Comportamento espectral dos solos e minerais e rochas O comportamento espectral do solo é afetado por diversos fatores dentre os quais destacam-se: a cor do solo, o tipo do solo (latossolo, litossolo, podzólico), o teor de matéria orgânica nele presente, o teor de ferro, a composição mineralógica do solo (presença ou ausência de minerais escuros), o teor de umidade, e a sua textura (distribuição de tamanho das partículas presentes no solo, ou proporção de argila, silte e areia). O aspecto mais complexo no estudo e compreensão do comportamento espectral do solo, é que em laboratório nós podemos isolar esses componentes, e estudar seu efeito sobre a resposta espectral do solo. Mas na natureza, esses componentes encontram-se inexoravelmente relacionados, as vezes, reforçando o efeito sobre o outro, outras vezes, anulando. Via de regra, entretanto, de modo idealizado, podemos dizer que a reflectância do solo aumenta monotonicamente com o comprimento de onda. Para solos com a mesma composição mineralógica, a tendência é a redução da reflectância com o aumento do tamanho das partículas (Figura 4.10). 80 Reflectância (%) φ < 0,062 mm 0,062-2 mm > 2 mm 0 500nm Comprimento de onda 900nm Figura 4.10 Efeito do tamanho da partícula sobre o comportamento espectral dos solos (Adaptado de Szekielda, 1988). O teor de umidade do solo afeta sua reflectância em todos os comprimentos de onda. Quanto maior o teor de umidade, menor é a reflectância do solo em todos os comprimentos de onda. Entretanto, este efeito não é o mesmo para todos os tipos de solo. Estudos realizados por Epiphânio et al. (1992) mostraram que quanto menor o albedo do solo seco, menor é a porcentagem de variação da reflectância com a umidade. A Figura 4.11 mostra o efeito da variação do teor de umidade (% de umidade crescente de a até d) sobre a reflectância de um solo Podzólico Vermelho-Amarelo (PV). No infravermelho médio o Fator de Reflectância chega a cair para menos da metade com o aumento da umidade. 50

51 Solo com 4 Teores de Umidade 68/PV/4 % de Reflectância Comprimento de Onda (nm) Figura 4.11 Efeito da umidade sobre a reflectância de uma amostra de Podzólico Vermelho Amarelo (Fonte: Epiphânio et al., 1992). A Figura 4.12 mostra o Fator de Reflectância de um Latossol Vermelho Escuro também submetido à diferentes teores de umidade (% de umidade crescente entre a e d). Como a reflectância média do Latossolo Vermelho Escuro seco é naturalmente mais baixa do que a do Podzólico Vermelho Amarelo, o efeito da umidade é menor. Ainda assim, para um mesmo solo, uma redução de reflectância em todos os comprimentos de onda pode ser interpretada como um aumento do teor de umidade do solo. Solo com 4 Teores de Umidade 32/LE/4 % de Reflectância Comprimento de Onda (nm) Figura 4.13 Comportamento Espectral de um Latossolo Vermelho Escuro submetido a diferentes teores de umidade (Fonte: Epiphanio et al., 1992). A composição mineralógica também afeta o comportamento espectral dos solos como pode ser visto na Figura Solos com alto teor de óxido de ferro e composto por minerais opacos apresentam reflectância mais baixa do que solos com baixo teor de óxido de 51

52 ferro. A presença de minerais opacos além de reduzir a reflectância dos solos em todos os comprimentos de onda mascara as bandas de absorção relativas à presença da água e de minerais de argila tais como a caulinita (1400 nm) e a montmorilonita (2200 nm). FATOR DE REFLECTÂNCIA (%) Sem óxido de ferro Alto teor de óxido de ferro/baixo teor de minerais opacos Alto teor de óxido de ferro + minerais opacos COMPRIMENTO DE ONDA (nm) Figura 4.14 Efeito do teor de óxido de ferro e de minerais opacos sobre o Fator de Reflectância dos solos. 4.3 Comportamento espectral da vegetação Estudos da cobertura vegetal envolvendo as técnicas de sensoriamento remoto abrangem quatro diferentes níveis de coleta de dados: laboratório, campo, aeronave e orbital. Em laboratório comumente são consideradas as folhas, partes de plantas ou até alguns arranjos de plantas, dos quais são coletados dados radiométricos com o objetivo de caracterizar espectralmente fenômenos e/ou aspectos relacionados ao processo de interação entre a REM e a vegetação. Em campo, os dados podem ser coletados diretamente das folhas ou através de dispositivos como plataformas (móveis ou fixas), teleféricos, etc; que permitem a colocação dos sensores imediatamente acima dos dosséis vegetais segundo as mais diferentes disposições. Na coleta de dados em aeronave, estão incluídas as máquinas fotográficas, os radiômetros e os sensores eletro-ópticos, assim como no nível orbital. A principal motivação dos estudos em vegetação envolvendo a aplicação das técnicas de sensoriamento remoto, fundamenta-se na compreensão da aparência que uma dada cobertura vegetal assume em um determinado produto de sensoriamento remoto, a qual é fruto de um processo complexo que envolve muitos parâmetros e fatores ambientais. Há de se considerar que um dossel é constituído por muitos elementos da própria vegetação, como folhas, galhos, frutos, flores, etc. Um fluxo de radiação incidente sobre qualquer um destes elementos estará sujeito a dois processos: espalhamento e absorção. O processo de espalhamento, por sua vez, pode ser dividido em dois sub-processos: reflexão e transmissão através do elemento. O destino do fluxo radiante incidente sobre um destes elementos é então dependente das características do fluxo (comprimentos de onda, ângulo de incidência e polarização) e das características físicoquímicas destes mesmos elementos. De todos os elementos constituintes da vegetação, a folha constitui o principal deles quando se considera o processo de interação descrito. Para uma melhor compreensão das características de reflectância da REM incidente sobre uma folha é necessário o conhecimento de sua composição química, principalmente tipo e quantidade de pigmentos fotossintetizantes, e de 52

53 sua morfologia interna (distribuição e quantidade de tecidos, espaços intercelulares, etc). Uma folha típica é constituída de três tecidos básicos que são: epiderme, mesófilo fotossintético e tecido vascular. A folha é então coberta por uma camada de células protetoras epidérmicas, na qual muitas vezes desenvolve-se uma fina e relativamente impermeável superfície externa. Abaixo da epiderme encontra-se o mesófilo fotossintético, o qual por sua vez é freqüentemente subdividido numa camada ou em camadas de células paliçádicas alongadas, arranjadas perpendicularmente à superfície da folha, que formam o parênquima. As células do parênquima são ocupadas por seiva e protoplasma. Esparsos através do mesófilo estão os espaços intercelulares cheios de ar, os quais se abrem para fora através dos estômatos. Esta rede de passagens de ar constitui a via de acesso pela qual o CO 2 alcança as células fotossintéticas e o O 2 liberado na fotossíntese retorna à atmosfera externa. Uma terceira característica estrutural da folha é o tecido vascular. A rede de tecidos do sistema vascular não serve somente para suprir a folha com água e nutrientes do solo, mas também constitui a passagem pela qual fluem os produtos da fotossíntese que são produzidos na folha, para as demais partes da planta. As estruturas das células que compõem os três tecidos das folhas são muito variáveis, dependendo da espécie e das condições ambientais. O comportamento espectral de uma folha é função de sua composição, morfologia e estrutura interna. Desde que as características da folha são geneticamente controladas, existirão portanto diferenças no comportamento espectral entre grupos geneticamente distintos. Levando em consideração o conceito da reflectância interna numa folha e os conhecimentos do espectro de absorção da clorofila, Willstatter e Stoll (1918), desenvolveram uma teoria sobre a trajetória da REM dentro de uma folha, a qual é válida até hoje. Os autores basearam sua teoria na estrutura interna das folhas e na reflectância potencial das superfícies. Segundo eles, a trajetória da REM se daria ao longo de vários meios, sendo estes compostos pela água, ar, membranas celulares, etc. Um mesmo feixe de radiação poderia passar, por exemplo, através de uma camada de água, que possui um índice de refração de 1,33, e em seguida atravessar um espaço preenchido com ar, que possui um índice de refração igual a 1. Além desta variação nos índices de refração dos diversos meios a serem atravessados, foi considerado que as células dos tecidos foliares, principalmente do mesófilo esponjoso, possuem uma estrutura irregular, sendo orientada espacialmente sob diversos ângulos. Willstatter e Stoll (1918) imaginaram as possíveis trajetórias da REM dentro de uma folha, como mostra a Figura 4.1. Uma pequena quantidade de luz é refletida das células da camada superficial. A maior parte é transmitida para o mesófilo esponjoso, onde os raios incidem freqüentemente nas paredes celulares, sendo refletidos se os ângulos de incidência forem suficientemente grandes. Esta reflexão múltipla é essencialmente um processo aleatório no qual os raios mudam de direção dentro da folha. Dado o grande número de paredes celulares dentro da folha, alguns raios são refletidos de volta, enquanto outros são transmitidos através da folha. A espessura da folha é fator importante no caminho da REM, já que geralmente a transmitância é maior do que a reflectância para folhas finas, mas o inverso acontece com folhas grossas. 53

54 Fig. 4.1-Seção transversal de uma folha mostrando os possíveis caminhos da luz incidente. Fonte: Gates et al. (1965) A curva de reflectância característica de uma folha verde sadia é mostrada na Figura 4.2. Os comprimentos de onda relativos ao ultravioleta não foram considerados, porque uma grande quantidade dessa energia é absorvida pela atmosfera e a vegetação não faz uso dela. Fig. 4.2-Curva de reflectância típica de uma folha verde. Fonte: Novo (1989) A análise da Figura 4.2 indica que a região compreendida entre 400 nm a 2600 nm pode ser dividida em três áreas: a) região do visível (400 nm a 700 nm); b) região do infravermelho próximo (700 nm a 1300 nm); c) região do infravermelho médio (1300 nm a 2600 nm). Os principais aspectos relacionados ao comportamento espectral da folha, em cada uma destas regiões são: a) região do visível: Nesta região os pigmentos existentes nas folhas dominam a reflectância espectral. Estes pigmentos, geralmente encontrados nos cloroplastos são: clorofila (65%), carotenos (6%), e xantofilas (29%). Os valores percentuais destes pigmentos existentes nas folhas podem variar grandemente de espécie para espécie. A energia radiante interage com a 54

55 estrutura foliar por absorção e por espalhamento. A energia é absorvida seletivamente pela clorofila e é convertida em calor ou fluorescência, e também convertida fotoquimicamente em energia estocada na forma de componentes orgânicos através da fotossíntese; b) região do infravermelho próximo: Nesta região existe uma absorção pequena da REM e considerável espalhamento interno na folha. A absorção da água é geralmente baixa nessa região. A reflectância espectral é quase constante nessa região. Gates et al. (1965) determinou que a reflectância espectral de folhas nessa região do espectro eletromagnético é o resultado da interação da energia incidente com a estrutura do mesófilo. Fatores externos à folha, como disponibilidade de água por exemplo, podem causar alterações na relação água-ar no mesófilo, podendo alterar a reflectância de uma folha nesta região. De maneira geral, quanto mais lacunosa for a estrutura interna foliar, maior será o espalhamento interno da radiação incidente, e consequentemente, maior será também a reflectância; c) região do infravermelho médio: A absorção devido à água líquida predomina na reflectância espectral das folhas na região do infravermelho próximo. Considerando a água líquida, esta apresenta na região em torno de 2000 nm, uma reflectância geralmente pequena, sendo menor do que 10% para um ângulo de incidência de 65 o e menor do que 5% para um ângulo de incidência de 20 o. A água absorve consideravelmente a REM incidente na região espectral compreendida entre 1300 nm a 2000 nm. Em termos mais pontuais, a absorção da água se dá em 1100 nm; 1450 nm; 1950 nm; 2700 nm e 6300 nm Interação da REM com os Dosséis Vegetais Todas as discussões apresentadas até o momento referiram-se ao estudo das propriedades espectrais de folhas isoladas, mas a aplicação das técnicas de sensoriamento remoto no estudo da vegetação, inclui a necessidade de compreender o processo de interação entre a REM e os diversos tipos fisionômicos de dosséis (florestas, culturas agrícolas, formações de porte herbáceo, etc). Uma vez que a folha é o principal elemento da vegetação sob o ponto de vista do processo de interação com a REM, espera-se que muito do que foi exposto referente às características de reflectância das folhas, também seja válido para os dosséis. De fato, quando comparadas as curvas de reflectância de uma folha verde sadia com as medições espectrais de dosséis, estas apresentam formas muito semelhantes. Essa semelhança permite que os padrões de reflectância apresentados pelos dosséis vegetais em imagens multiespectrais possam ser previstos. Assim, por exemplo, espera-se que em imagens referentes à região do visível os dosséis apresentem tonalidade escura devido à baixa reflectância da REM, em função da ação dos pigmentos fotossintetizantes; em imagens da região do infravermelho próximo, estes mesmos dosséis deverão apresentar-se com tonalidade clara e em imagens do infravermelho médio espera-se tons de cinza intermediários entre o escuro das imagens do visível e o claro daquelas do infravermelho próximo. A distribuição espacial dos elementos da vegetação, bem como a suas densidades e orientações, definem a arquitetura da vegetação. A distribuição espacial depende de como foram arranjadas as sementes no plantio (no caso de vegetação cultivada), do tipo de vegetação existente e do estágio de desenvolvimento das plantas. Em vários modelos de reflectância da vegetação um dossel é considerado como sendo composto por vários sub-dosséis, arranjados regularmente no solo (plantios em fileiras, por exemplo) ou arranjados aleatoriamente, segundo uma distribuição específica. Para um dossel ou sub-dossel homogêneo, assume-se que a densidade dos elementos da vegetação é uniforme, o que é caracterizado pelo Índice de Área Foliar (IAF), que representa a razão entre a área do elemento e a área no terreno. O IAF é um dos 55

56 principais parâmetros da vegetação e é requerido em modelos de crescimento vegetal e de evapotranspiração; é ainda relacionado à biomassa. Outro parâmetro que define a arquitetura do dossel é a Distribuição Angular Foliar (DAF). É caracterizada por uma função de densidade de distribuição f(θl, ψl), onde θl e ψl são a inclinação e o azimute da folha, respectivamente. Por conseguinte f(θl, ψl)dθl dψl é a fração de área foliar sujeita aos ângulos de inclinação θl e θl+dθl, e os ângulos azimutais ψl e ψl+dψl. A DAF varia consideravelmente entre os tipos de vegetação. Os dosséis são normalmente descritos por um dos seguintes seis tipos de distribuições: planófila, erectófila, plagiófila, extremófila, uniforme e esférica. Estes parâmetros arquitetônicos afetam qualitativamente a reflectância da vegetação. Na região do visível, uma vez que muito da energia incidente sobre uma folha é absorvida, com o aumento do número de folhas, isto é, com o aumento do IAF, mais e mais energia será absorvida pela vegetação. Assim que o IAF atingir um determinado valor (aproximadamente compreendido entre 2 e 3), muito da radiação incidente é interceptada e absorvida pelas folhas e um permanente aumento do IAF não influenciará a reflectância da vegetação. Por conseguinte, a reflectância na região do visível decresce quase que exponencialmente com o aumento do IAF até atingir um valor próximo de 0, quando o IAF assume valores entre 2 e 3. Na região do infravermelho próximo, uma vez que a absorção é mínima, o aumento do IAF implica no aumento do espalhamento e no conseqüente aumento da reflectância da vegetação, até que o IAF atinja valores compreendidos entre 6 e 8. Um dos efeitos da DAF sobre a reflectância da vegetação refere-se à sua influência na probabilidade de falhas através do dossel como uma função dos ângulos zenital solar e de visada. A orientação das fileiras de uma cultura agrícola, por exemplo, exerce menos influência na região do infravermelho do que na região do visível devido ao menor efeito das sombras, uma vez que as folhas são praticamente transparentes nesta região espectral. Um outro efeito da arquitetura do dossel sobre sua reflectância ocorre quando os elementos da vegetação não se encontram uniformemente distribuídos. Supondo que ao invés de estarem uniformemente distribuídas no dossel, as folhas estivessem agrupadas, este agrupamento apresentaria dois efeitos principais: ele aumentaria a probabilidade de ocorrência de lacunas através de toda a extensão do dossel, que por sua vez, aumentaria a influência do espalhamento dos elementos deste mesmo dossel, localizados nas camadas mais próximas ao solo Particularidades Sobre a Aparência da Vegetação em Imagens Orbitais Pelo exposto, pode-se portanto constatar nas imagens que na região do visível um dossel vegetal apresenta valores de reflectância relativamente baixos devido à ação dos pigmentos fotossintetizantes que absorvem a REM para a realização da fotossíntese, na região do infravermelho próximo que estes valores apresentam-se elevados devido ao espalhamento interno sofrido pela REM em função da disposição da estrutura morfológica da folha, aliado ainda ao espalhamento múltiplo entre as diferentes camadas de folhas e, finalmente, que no infravermelho médio tem-se uma nova queda destes valores, devido a presença de água no interior da folha. De fato, estes fatores influentes não atuam isoladamente. Em cada uma das regiões espectrais todos os fatores exercem sua influência concomitantemente. Assim, por exemplo, os níveis baixos de reflectância na região do visível, esperados para uma cobertura vegetal, não se devem 56

57 exclusivamente à absorção dos pigmentos existentes nas folhas, mas também às sombras que se projetam entre as folhas, as quais são dependentes da geometria de iluminação, da Distribuição Angular das Folhas (DAF) e da rugosidade do dossel em sua camada superior (topo do dossel). Sobre esses efeitos discorreremos oportunamente. Vale salientar que o que é efetivamente medido pelo sensor colocado em órbita terrestre é a radiância espectral. Como cada sensor de cada banda espetral, na qual tal sensor é apto a coletar a REM refletida pelos objetos possui sua própria sensibilidade, isso implica num desbalanceamento entre as radiâncias espectrais medidas. Esse desbalanceamento pode ocasionar diferenças de brilho de um mesmo objeto entre as bandas, ora subestimando-o, ora superestimando-o. Isso pode explicar, por exemplo, que apesar da queda da reflectância espectral verificada na região espectral do infravermelho médio em relação à região do infravermelho próximo não ser muito acentuada, no caso da cobertura vegetal, a tonalidade escura resultante numa imagem do infravermelho médio freqüentemente é mais intensa do que aquela verificada em outra imagem do visível. Alia-se a este fato a maior interferência da atmosfera nas imagens do visível em relação àquelas do infravermelho que tende a deixar ligeiramente mais claros os dosséis vegetais. Mesmo ciente destas influências, é comum o intérprete de imagens orbitais interessado em extrair informações sobre a cobertura vegetal, procurar associar os padrões apresentados por esta diretamente com suas características estruturais (parâmetros biofísicos). De fato, como foi apresentado nos itens anteriores, essa associação é possível, mas existem algumas particularidades que devem ser consideradas. Por exemplo: é esperado que à medida que uma determinada cobertura vegetal aumenta sua densidade, os valores de reflectância espectral referentes à região do visível apresentem uma diminuição quase exponencial, enquanto que para a região do infravermelho próximo estes apresentam aumento também quase exponencial, até que sejam atingidos seus respectivos pontos de saturação (IAF=2 ou 3 para a região do visível e IAF=6 ou 8, para a região do infravermelho próximo). Dependendo da arquitetura (forma e distribuição espacial dos indivíduos constituintes do dossel) assumida em cada uma das fases de desenvolvimento dessa cobertura vegetal, esse efeito pode ou não ser constatado, podendo ser mascarado pelo efeito de outros fatores/parâmetros, principalmente participação do solo e sombreamento entre os próprios elementos da vegetação (folhas, galhos e troncos, principalmente). Assim, em uma imagem do infravermelho próximo, uma floresta perenifólia, bem densa, com um IAF muito elevado, poderá assumir um brilho mais escuro do que um plantio jovem de Eucalyptus spp., que possuiria um IAF bem menos elevado. Em tal floresta, a existência de diferentes estratos (camadas) horizontais, com os indivíduos dominantes projetando suas copas acima de uma cota média do dossel, poderia acarretar o sombreamento daqueles que se posicionariam imediatamente abaixo, o que implicaria na diminuição da irradiância nos estratos inferiores e, conseqüentemente, na diminuição da radiância medida pelo sensor orbital, o que por sua vez implicaria no escurecimento do dossel da floresta em relação ao de Eucalyptus spp, que não possuiria estratos e portanto o sombreamento entre seus elementos constituintes seria bem menor. Evidentemente que esse efeito será tanto maior quanto maior for o ângulo de incidência solar, uma vez que o sombreamento é proporcional a esse ângulo. Para o caso do solo, sua participação também é dependente do ângulo de iluminação e desta vez de maneira inversa, ou seja, quanto maior for o ângulo de incidência, é esperada uma menor participação do solo. Cada dossel, em particular, possui suas características próprias e desenvolve-se em diferentes tipos de solos sob diferentes condições ambientais. Não há como prever todas as 57

58 possibilidades, tentar elencá-las, relacionando-as a possíveis padrões em imagens orbitais. Assim como acontece com qualquer outro objeto de estudo à luz das técnicas de sensoriamento remoto, são inerentes as chamadas ambigüidades nas quais efeitos de diferentes fatores/ parâmetros podem assumir valores iguais de radiância, o que implicará em uma mesma aparência nas imagens, mesmo em se tratando de diferentes coberturas vegetais. Cabe ao intérprete estar preparado para conviver com estas limitações e extrair dos produtos de sensoriamento remoto o máximo de informação confiável. 5. ELABORAÇÃO DE IMAGENS DA SUPERFÍCIE TERRESTRE Conforme já descrito anteriormente, uma imagem é constituída pelos chamados elementos de resolução, que representam um valor relacionado com a Radiância de uma determinada superfície terrestre. A dimensão desta superfície é função das características do sensor e da plataforma que o sustenta. O sensor registra a REM refletida de uma específica porção da superfície terrestre na qual encontram-se alvos distintos, cada um com suas próprias características de interagir com a REM incidente. Como resultado, o sensor registrará um único valor numérico relacionado à Radiância medida que apresentar-se-á como uma média das Radiâncias de todos os alvos contidos no elemento de resolução, o qual é costumeiramente denominado pixel (picture element). O procedimento descrito acima deve ser encarado sob ponto de vista espectral, ou seja, a Radiância é medida numa determinada faixa ou região espectral, ou pode ser medida em diferentes regiões espectrais instantaneamente. O sensor pode então ser preparado para sentir a REM refletida pelos alvos contidos numa dada superfície em várias regiões espectrais. Assim, como resultado, seriam registrados tantos valores numéricos quantas forem as regiões espectrais abrangidas pelo sensor, cada um deles proporcional ao brilho da superfície em cada destas regiões. Para a elaboração de uma imagem pictórica de uma porção da superfície terrestre, o procedimento descrito acima pode ser repetido sistematicamente e de forma a cobrir pequenas áreas contíguas, ou seja, fazendo com que pixels sejam definidos no terreno um ao lado do outro. A Radiância de cada um deles passa a ser registrada nas regiões espectrais mais convenientes e os valores numéricos provenientes dessa medição são então representados na forma de uma matriz bidimensional com n linhas e m colunas, assim como mostrado na Figura 5.1. x1y1 x2y1 x3y1... Xmy1 x1y2 x2y2 x3y2... Xmy2 x1y3 x2y3 x3y3... Xmy x1yn x2yn x3yn... xmyn Fig. 5.1 Representação de uma matriz bidimensional com n linhas e m colunas. Para melhor compreender como é essa matriz, a Figura 5.2 ilustra uma cena específica, representada por uma imagem de uma única faixa espectral e a matriz correspondente cujos elementos representam números relacionados à radiância medida em cada pixel na faixa espectral em questão. 58

59 Fig Representação matricial de uma cena referente a uma faixa específica do espectro Fonte: Sabins (1978), p.243. Na Figura 5.3 encontra-se apresentado um esquema de um sensor orbital coletando dados da superfície terrestre. Assim como já apresentado anteriormente, neste esquema podem ser identificados um espelho oscilante o qual é responsável pela chamada varredura no sentido ortogonal ao deslocamento da plataforma que sustenta o sensor, os detetores, que são os elementos que efetivamente sentem a REM refletida dos pixels nas diferentes regiões espectrais (bandas espectrais) e entre ambos, o sistema óptico que é o responsável pela focalização e pelo direcionamento da REM sobre os detetores. À medida que a plataforma segue seu deslocamento sobre a superfície terrestre, o espelho oscila num plano ortogonal à esse deslocamento de forma síncrona, garantindo que assim que uma linha de pixels tenha sido observada e dela coletada a REM refletida, outra linha subsequênte seja constituída. Vale salientar que são vários detetores sentindo a REM em igualmente várias regiões espectrais, originando portanto várias imagens da mesma porção da superfície terrestre. Estas imagens podem ser apresentadas em duas formas básicas: a forma analógica (produto fotográfico) e a forma digital. Na forma analógica as imagens são processadas e impressas em papel fotográfico em escalas padrão, conforme normas específicas definidas por critérios cartográficos. As imagens provenientes de diferentes regiões espectrais de uma mesma superfície terrestre, podem então ser impressas separadamente, o que origina as chamadas imagens em prêto e branco, ou em composições coloridas, as quais são constituídas por imagens de três regiões espectrais diferentes. Em cada uma destas imagens são dispostos filtros coloridos nas cores vermelho, verde e azul. 59

60 Fig. 5.3 Coleta de dados da superfície terrestre mediante um sensor imageador. Fonte: Swain e Davis (1978) A Figura 5.4 ilustra o procedimento de elaboração de uma composição colorida. Nesta Figura 5.4, têm-se três imagens de uma mesma porção da superfície terrestre, sendo cada uma referente à uma região espectral fictícia, aqui denominadas canais X, Y e Z. O sensor que gerou estas imagens era capaz de sentir a REM refletida pelos diferentes alvos desta superfície em três diferentes níveis de intensidade, aqui denominados alto, médio e baixo. Como consequência, considerando uma só destas imagens, os pixels que a compõe apresentaram três tipos de brilho, traduzidos na legenda por símbolos, mas que usualmente são substituídos por tons de cinza. Os níveis mais baixos são traduzidos por tons de cinza escuros e os níveis mais altos, por tons de cinza claros. Fig. 5.4 Procedimento de elaboração de uma composição colorida. Fonte: Novo(1989) 60

61 Imaginando que estas imagens pudessem ser colocadas uma frente à outra e que estas fossem ainda translúcidas. Na frente de cada uma destas imagens fossem colocados ainda os filtros coloridos conforme apresentado na Figura 5.2. Como resultado do brilho relativo entre os alvos em cada uma das imagens e do processo de adição de cores, cada um dos pixels apresentaria cores e tonalidades diferenciadas, resultando portanto na chamada composição colorida. Vale salientar que as cores e tonalidades resultantes nada tem à ver com as cores reais dos alvos contidos nas cenas. Qualquer alteração promovida na ordem dos filtros ou imagens, implicaria na alteração total das aparências de cada um dos pixels da imagem. Na forma digital, as imagens são gravadas em um meio magnético que podem ser fitas magnéticas e discos ópticos (CDs). Através de aplicativos especialmente desenvolvidos para este fim, as imagens podem ser manipuladas em computadores através das técnicas de processamento de imagens digitais que podem ser divididas em três grupos: técnicas de préprocessamento, técnicas de realce e técnicas de classificação. Nas técnicas de pré-processamento, procura-se corrigir imperfeições radiométricas oriundas das diferenças de sensibilidade existente entre os diferentes detetores que sentiram a REM, assim como imperfeições de ordem geométrica ou espacial, as quais referemse ao posicionamento dos pixels dentro das imagens, de forma a garantir uma aceitável representatividade dos pontos no terreno em relação aos padrões cartográficos estabelecidos. As técnicas de realce têm com objetivo melhorar a qualidade visual das imagens através do aumento de contraste entre tons de cinza dos pixels. Existem aqui inúmeros procedimentos já desenvolvidos com essa finalidade, os quais fundamentam-se em critérios determinísticos e/ou estatísticos. Finalmente as técnicas de classificação visam a identificação das chamadas classes ou temas que vão compor um dos principais produtos da extração de informações de produtos de SR que são os mapas temáticos. Essa identificação pode ser efetuada de diversas maneiras, incluindo os algoritmos supervisionados e os não-supervisionados. Nos primeiros, o intérprete ou especialista interessado na elaboração do mapa interage com o algoritmo fornecendo indicações sobre a localização dos temas de seu interesse. O algoritmo segue o processamento identificando todos os pixels que apresentam características semelhantes daquelas apresentadas pelos pixels indicados pelo especialista. Como resultado, são ressaltados e individualizados cada pixel de cada tema ou classe em toda a imagem ou parte desta da qual se pretende extrair a informação (elaborar o mapa). Nos algoritmos não-supervisionados, é fornecido somente o número de classes que se pretende fracionar a imagem e o algoritmo decide sobre a natureza de cada pixel segundo critérios estatísticos. 6. IMAGENS COM ALTA RESOLUÇÃO ESPACIAL O satélite IKONOS foi lançado da Base Aérea da Califórnia, nos Estados Unidos, em 24 de setembro de Trata-se do primeiro satélite especialmente concebido para atender finalidades comerciais, sendo que suas imagens recém começaram a ser distribuídas. A câmera colocada a bordo deste satélite permite gerar simultaneamente imagens com resolução de 1 metro em seu modo pancromático e outras com resolução de 4 metros no modo multiespectral. O satélite encontra-se a 680 km de altitude e se move a 7 km por segundo. A comercialização dessas imagens será feita pela empresa CARTERRA, localizada em Denver, Colorado (EUA) ( 61

62 As imagens de alta resolução como as geradas pelo satélite IKONOS II são conseqüência direta da liberação tecnológica promovida em 1994 pelo Governo Americano. Anteriormente, essa tecnologia somente estava disponível para satélites de fins militares. Com o sucesso do satélite IKONOS II, lançado no final de Setembro/99, as imagens de alta resolução já são uma grata realidade e estão revolucionando o mercado de dados orbitais. Antes, nenhum outro satélite comercial conseguiu atingir esse nível de detalhe espacial. Dentre as principais características técnicas das novas imagens e do satélite IKONOS II destacam-se as seguintes: Data do lançamento do satélite: 24/09/99; Foguete: Athena II; Local de lançamento: Vandenberg Air Force Base, California /USA; Altitude: 681km; Inclinação: 98.1º; Velocidade: 7km/s; Sentido da órbita: Descendente; Duração da órbita: 98 min; Tipo de órbita: Sol-síncrona; Ângulo de visada: Rápida alternância entre diferentes ângulos; Resolução no terreno de cada banda; Pancromática: 1m (considerando posição nominal de 26º fora do nadir); Multiespectral: 4m (considerando posição nominal de 26º fora do nadir); Bandas espectrais: 0,45 a 0,90µ (pan); Azul 0,45-0,52µ;Verde 0,52-0,60µ; Vermelho 0,63-0,69µ; Infra vermelho próximo 0,76-0,90µ; Faixa de imageamento: 13km no nadir (cena simples 13km x 13km); Tamanho das cenas: Faixas de 11km x 100km até 11km x 1000km; Mosaicos de até km2; Até km2 de área continua imageada em uma única passagem; Acurácia métrica: Horizontal: 12m; Vertical: 10m (correção de sistema, sem pontos de controle cartográficos); Precisão relativa de pelo menos 90% da cena; Horizontal: 2m; Vertical: 3m (com pontos de controle); Precisão relativa em pelo menos 90% da cena; Tempo de Revisita: 2,9 dias (pan); 1,5 dia (multiespectral); Esses valores referem-se a alvos ao longo da latitude de 40º. O tempo de revisita para latitudes maiores será menor, enquanto que para as latitudes próximas ao Equador, o tempo será mais longo. Vantagens e Benefícios: A maior resolução espacial possível entre as imagens orbitais atualmente disponível no mercado; possibilidade de combinação de imagens preto e branco (gray scale) com dados multiespectrais para a geração de imagens coloridas com 1m de resolução; grande quantidade de informação disponível; facilidade para interpretação visual; algorítmos específicos, como os encontrados no Expert Classifier, disponível na versão 8.4 do aplicativo Erdas Imagine, já são capazes de executar a interpretação digital dessas imagens e automatizar o processo de extração de informação; radiometria de 11 bits (2048 níveis de cinza) aumenta o poder de contraste e de discriminação das imagens; produto para quem necessita grande resolução espacial (identificar feições ricas em detalhes) mas não requer grande precisão cartográfica. A precisão cartográfica é obtida através da ortocorreção e/ou retificação das imagens; Bandas espectrais no visível são mais largas (quando comparadas com Landsat 5 e 7), permitem uma maior penetração na atmosfera e maior poder de discriminação dos alvos 62

63 terrestres, principalmente da cobertura vegetal, áreas sombreadas e de corpos d água; imagens com 4m de resolução espacial oferecem até 25 vezes mais informações que imagens com 20m de resolução; com imagens pancromáticas de 1m, é possivel distinguir objetos do tamanho de 1m 2. Aplicações diretas: São inúmeras as aplicações destas imagens e em quase todos os ramos do conhecimento. No entanto, algumas aplicações merecem ser citadas: Projetos de GIS (redes, telecomunicações, planejamento, meio ambiente); Base para eleboração de Mapas Urbanos Básicos (MUBS); Elaboração/atualização de mapas de arruamentos e cadastro; Mapeamento de cadastro urbano e rural; Fonte de apoio para trabalhos com GPS; Nova fonte de dados para trabalhos de detalhe; Uso e ocupação do solo (maior detalhe da morfologia urbana); Meio Ambiente (toda a sorte de projetos ambientais, em escalas grandes); Arquitetura/Urbanismo/Paisagismo (planos de recuperação ambiental e projetos de desenvolvimento); Legal (regularização de propriedades, demarcação de pequenas glebas); Engenharia (integração com modelos as built ). Empreendimento em escalas da ordem 1:5000 até 1:2500; Agricultura (com ênfase em previsão de safras, e controle de pragas); Agricultura de Precisão; Florestal (estimativa de potencial econômico, projetos de desenvolvimento sustentável, censo de árvores); Turismo (identificação de locais específicos, mapas pictóricos e localização de atrativos turísticos); Seguridade (patrimonial e agrícola); E-business: pequenas área customizáveis podem ser comercializadas pela Internet para atender o pequeno usuário, que quer apenas localizar sua casa, propriedade; 7 SENSORIAMENTO REMOTO HIPERESPECTRAL (IMAGEAMENTO ESPECTROSCÓPICO) A Espectroscopia tradicional é o estudo da dinâmica e da estrutura molecular através da análise dos espectros de absorção, espalhamento e emissão de radiação pelos diferentes tipos de materiais. Em outras palavras, através da espectroscopia de laboratório podem ser discriminados diferentes componentes da matéria a partir da análise dos espectros resultados de sua intereação com a energia incidente. O mesmo princípio se aplica ao imageamento espectroscópico: para cada píxel do terreno, podem ser obtidos espectros de energia refletida ou emitida. A análise desses espectros através de técnicas oriundas da espectroscopia de absorção permite fazer julgamentos sobre propriedades dos objetos presentes numa dada cena. O conceito de imageamento espectroscópico pode ser melhor compreendido observando-se a Figura 7.1. Nela podemos observar que para cada consituinte da cena, podemos 63

64 recuperar um espectro. A análise desses espectros e a comparação de suas feições com bibliotecas espectrais permite diagnosticar a presença de certos componentes da matéria. Figura 7.1 Conceito de Espectroscopia de Imageamento Segundo Green et al (1998) podemos definir um sensor como um Espectro- Imageador se ele permite a aquisição de imagens em mais de 50 bandas espectrais contíguas. A contiguidade e número de bandas espectrais é fundamental para o conceito de imageamento espectroscópico porque a análise dos dados derivados desse sensor se baseia na identificação de feições de absorção presentes no espectro para através delas determinar: o tipo de material presente, sua concentração, a proporção de componentes mistos, a distribuição espacial do material. Para maiores detalhes sobre esse tema pode ser acessado o seguinte endereço ( O conceito de Espectrometro Imageador foi desenvolvido a partir da década de 80 pelo Jet Propulsion Lab. E o primeiro sensor operacional iniciou sua operação a partir de 1987 e é conhecido pela sigla AVIRIS (Airborne Visible/Infrared Spectrometer). Desde o início de sua operação já foram escritos centenas de artigos científicos apresentando novas metodologias de utilização desses dados e permitindo um constante aperfeiçoamento do sistema sensor, bem como um recrusdescimento dos projetos de espectroscopia de campo de modo a aprofundar as bases teóricas para a interpretação de tais dados. Um espectrometro imageador (Figura 7.2) é formado basicamente pelos seguintes componentes: a) espelho oscilatório para varrer ou escanear a superfície da terra; b) um sistema de lentes (objetiva) para focalizar a radiação proveniente da superfície; c) um espectrômetro responsável pela dispersão da radiação em diferentes comprimentos de onda, d) uma matriz de detetores responsável pela detecção da radiação incidente de cada ponto do terreno e cada intervalo de comprimento de onda convertendo fotons em eletrons); e) um sistema de calibragem responsável pela estabilidade da qualidade radiométrica dos dados durante à aquisição das imagens; f) um sistema eletrônico que é responsável pela amplificação do sinal, conversão Analógico-Digital e registro em uma fita magnética de alta densidade. 64

65 Figura 7.2 Configuração do Sistema AVIRIS 8. INTERPRETAÇÃO VISUAL DE IMAGENS: UMA ABORDAGEM METODOLÓGICA O principal objetivo da interpretação visual de imagens é a elaboração dos chamados mapas temáticos, que são compostos por polígonos cujos atributos relacionam-se com algum assunto específico, assim como solos, vegetação, recursos hídricos, cobertura e uso da terra, etc. Esses polígonos são distribuídos sobre o mapa segundo sistemas de projeção cartográficos variados e seus contornos são definidos mediante aquilo que se designa de interpretação visual de imagens, que podem ser fotográficas (quando oriundas de material fotográfico) ou pictóricas (quando originadas de imagens compostas por pixels). Antes de iniciar qualquer tarefa de interpretação visual de imagens, devem ser claramente conhecidos os objetivos que o mapa elaborado deverá atender. Implícita nesses objetivos encontra-se a definição de uma legenda que deve ser compatível com o tipo de produto de sensoriamento remoto que será utilizado, bem como com a escala de trabalho. Considerando a utilização de imagens orbitais multiespectrais, as escalas mais freqüentemente empregadas são aquelas referentes às cartas topográficas disponibilizadas pela Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) e pela Divisão do Serviço Geográfico (DSG) que incluem escalas de 1:50.000, 1: , 1: , 1: e 1: Destas, as escalas mais comumente empregadas são 1:50.000, 1: e 1: devido a serem estas mais confortáveis ao intérprete e a permitirem a elaboração de legendas mais compatíveis com as necessidades dos usuários dos mapas. A definição da legenda então deve ser cuidadosamente estudada, procurando sempre estabelecer temas coerentes com o assunto a ser representado no mapa. Assim, se o mapa temático incluirá tipos diferentes de solos, estes devem ser identificados segundo um mesmo critério, ou seja, se o objetivo for representar cartograficamente diferentes solos segundo sua mineralogia, as classes (ou temas) listados na legenda deverão expressar diferenças mineralógicas e jamais algum tipo de solo segundo, por exemplo, sua estrutura. Para o caso do mapeamento da cobertura vegetal, são comuns eqüívocos nos quais uma floresta ombrófila (tema específico de um mapa fisionômico-ecológico), por exemplo, é diferenciada de um plantio de Eucalyptus spp. (tema específico de cobertura e uso da terra). Uma vez definidos a legenda, o produto e a escala de trabalho, segue-se a definição da metodologia a ser empregada na elaboração do mapa. No início do emprego das imagens orbitais com o objetivo de gerar mapas temáticos no Brasil e durante quase duas décadas (décadas de 70 e início dos anos 90), a metodologia empregada fundamentava-se na utilização de 65

66 imagens analógicas (materializadas em material fotográfico) disponibilizadas na escala definida de mapeamento e materializadas nas chamadas imagens preto e branco ou em composições coloridas, conforme já descrito no ítem 5 (Elaboração de imagens da superfície terrestre), dependendo da natureza (assunto explorado) do mapa temático, da separabilidade visual dos objetos a serem mapeados proporcionada pelo produto (imagem) selecionado em função das propriedades espectrais desses objetos e finalmente, da experiência da equipe de profissionais incumbida de elaborar o mapa. Definida a forma de apresentação destas imagens analógicas, seguia-se a preparação dos costumeiramente denominados overlays, que continham feições do terreno que permitiam a superposição destes com seus homólogos existentes nas imagens. Esses overlays eram constituídos por uma papel polyester, ligeiramente transparente e suficientemente estável no que se refere a variações de suas dimensões físicas. Sobre esse papel, eram desenhadas, mediante o uso de cartas topográficas da área de interesse, as feições como drenagem, principais estradas e outros elementos da toponímia considerados estáveis ao longo do tempo. Os overlays passavam então a constituirem uma espécie de cópia resumida das cartas topográficas que eram então superpostas às imagens por um intérprete experimentado que cuidadosamente procurava encaixar as feições copiadas no overlay com as respectivas feições contidas nas imagens. Considerando que qualquer ponto imaginário sobre uma carta topográfica tem coordenadas geográficas conhecidas por tratar-se de um produto georreferenciado e que o mesmo não acontece em uma imagem analógica, ao se procurar sobrepor as feições de ambos os produtos ( overlay e imagem), o encaixe não ocorre ao longo de toda a extensão do overlay, acontecendo portanto em setores específicos, o que implicava no contínuo deslocamento do overlay sobre a imagem durante o trabalho de interpretação. Como conseqüência, a localização dos polígonos delimitados durante a interpretação era sempre duvidosa, pois era dependente da habilidade e do treinamento do intérprete. Uma alternativa interessante para minimizar a subjetividade dessa superposição consistia na eleição dos chamados pontos de controle constituídos basicamente por cruzamentos de estradas, bifurcações da drenagem ou pontos igualmente bem definidos tanto na carta topográfica, quanto na imagem. Esses pontos eram assinalados no overlay e a interpretação se dava sem a preocupação de sobrepor feições homólogas. Posteriormente, ao final da interpretação, o conteúdo temático contido no overlay era digitalizado através de programas computacionais originando uma primeira versão eletrônica do mapa temático e através de um algoritmo específico, essa versão eletrônica era modificada geometricamente conferindo-lhe o georreferenciamento de seu conteúdo temático. A Figura 8.1 ilustra um esquema da superposição do overlay sobre a imagem e a primeira versão do mapa antes da digitalização. Dependendo da extensão da superfície terrestre a ser mapeada e da natureza do mapa temático a ser elaborado, os trabalhos de interpretação visual de imagens incluem diferentes procedimentos com o objetivo de garantir o máximo de confiabilidade. Para o caso de mapeamentos de áreas pequenas (uma bacia hidrográfica, uma fazenda agrícola, etc), um único intérprete responsabiliza-se pela tarefa, sendo que nesse caso, é esperada uma certa uniformidade na definição dos polígonos, uma vez que os critérios são subjetivos e estes estariam sendo aplicados fundamentalmente sempre da mesma forma. Quando áreas muito extensas são mapeadas (todo um Estado da federação, vários Estados, toda uma região do país, etc), é freqüente a composição de equipes que se responsabilizam pelas diversas etapas do trabalho. Vários intérpretes são utilizados, o que implicará na adoção de critérios ligeiramente diferentes na interpretação, originando desuniformidade na definição dos polígonos, dependendo do grau de capacitação, treinamento e habilidade dos intérpretes. Nesse caso é interessante a figura do homogenizador que deve ser um profissional com bastante experiência em interpretação visual de imagens e que vai interegir intimamente com os intérpretes, procurando uniformizar ao 66

67 máximo os critérios pessoais de cada um deles, revisando todos os overlays freqüentemente e procedendo as correções que julgar necessárias. a b Figura 8.1 Representação esquemática da superposição de um overlay sobre uma imagem (a) e da primeira versão do mapa temático resultante (b). Fonte: Relatório Projeto Prodes ( Atualmente, com a disponibilização de plataformas computacionais e de aplicativos específicos para o processamento de imagens e para a manipulação de dados georreferenciados (Sistemas de Informação Geográfica), a interpretação visual vem sendo cada vez mais elaborada diretamente na tela de computadores, dispensando a utilização dos overlays e de sua posterior digitalização. As cartas topográficas estão também sendo disponibilizadas no formato digital e quando não se dispõe desse material dessa forma, as imagens são georreferenciadas mediante a utilização das cartas em papel e de mesas digitalizadoras que permitem a comunicação entre o mapa e os produtos em formato digital. A interpretação dá-se portanto, sobre as imagens já georreferenciadas o que origina mapas temáticos quase que imediatamente à medida que se dá a interpretação. Mesmo assim, as mesmas considerações já apresentadas sobre a homogenização das interpretações feitas sobre as imagens analógicas devem ser viabilizadas quando do mapeamento de extensas áreas. Independentemente do procedimento a ser adotado, a interpretação visual propriamente dita consiste na inspeção visual das imagens procurando identificar e delimitar toda a extensão dos ítens da legenda, o que vai originar os polígonos sobre os quais tem-se mencionado anteriormente. A identificação é feita segundo o conhecimento do comportamento espectral desses ítens e dos conseqüentes padrões de cor, tonalidade, textura, tamanho, forma, contexto e sombra que estes assumem nas imagens. 67